CN202585627U - 一种锂离子电池负极材料的结构 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种锂离子电池负极材料的结构，其包括依次径向分布的活性物质层、疏松导电层和硬壳导电层，所述活性物质层与硬壳导电层通过所述疏松导电层联通，所述疏松导电层的结构为弹性记忆结构，所述疏松导电层的容积随所述活性物质层的体积变化而变化。本实用新型采用径向分布的三层结构，并将疏松导电层作为中间层其体积能随活性物质层变化，因此该结构能够有效减小充放电过程中的体积效应，缓解甚至消除负极材料的粉化、脱落现象，从而提高电池的比容量和循环稳定性。

Description

一种锂离子电池负极材料的结构
技术领域
本实用新型涉及电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料的结构。
背景技术
随着微电子工业、汽车行业的快速发展，以及各种便携式通讯设备、个人电脑、小型电子设备的普及，人类对锂离子电池的要求也朝着高能量密度、高功率密度、高安全性、长寿命、快速充放电、轻薄的方向发展。目前，商业化的锂离子电池以石墨为负极、含锂的化合物为正极。其中，石墨的理论比容量只有372mAh/g，这成为提高锂离子电池性能的巨大阻碍。因此，近年来开发高容量的新型负极材料成为锂离子电池领域的研究重点。
目前，具有高比容量的金属合金及金属氧化物引起研究者的关注。与传统碳负极材料相比，他们具有极高的储锂容量，例如硅(4200mAh/g)，锡(994mAh/g)，氧化锡(781mAh/g)。但是他们作为锂离子电池负极材料也存在较大的问题：电池充放电过程中，负极材料产生严重的体积膨胀效应(硅高达300％)，会引起电极粉化，从而降低电池使用寿命；电池多次充放电会引起负极材料发生团聚，影响电池的循环稳定性。目前解决这些问题的途径主要有：①制备纳米尺寸的负极材料，缓解充放电过程中的体积膨胀；②将非活性物质与活性储锂材料复合，降低负极材料的体积膨胀，同时防止活性物质的团聚；③制备特殊结构的负极材料，利用结构优势来缓解负极材料的体积膨胀。
在现有的研究中，许多人已经在一定程度上解决了以上问题。中国专利CN1402366A公开了一种具有核壳结构的Si-C-X复合负极材料，他可以在一定程度上缓解活性物质的团聚和充放电过程中的体积膨胀。研究者首先将含碳前躯体先溶于有机溶剂中，再慢慢加入硅合金粉末，形成均匀的溶液。在80℃下挥发有机溶液，得到硅合金-碳前躯体混合物。再将此混合物在惰性气氛中煅烧得到硅合金-碳复合材料。但是这种方法制备复合材料的碳包覆层厚度不均匀，碳层与硅合金之间的结合力较弱，在快速充放电过程中碳层容易与硅合金分离、剥落，严重影响电池的循环稳定性能。
实用新型内容
本实用新型所要解决的问题是提供一种具有三层结构能保证整体体积不变的电池负极结构，克服现有技术中存在的上述问题。
本实用新型的一种锂离子电池负极材料的结构，包括依次径向分布的活性物质层、疏松导电层和硬壳导电层，所述活性物质层与硬壳导电层通过所述疏松导电层联通，所述疏松导电层的结构为弹性记忆结构，所述疏松导电层的容积随所述活性物质层的体积变化而变化。本实用新型采用径向分布的三层结构，并将疏松导电层作为中间层其容积随活性物质层变化而变化，因此该结构能够有效减小充放电过程中的体积效应，缓解甚至消除负极材料的粉化、脱落现象，从而提高电池的比容量和循环稳定性。
本实用新型所述疏松导电层的厚度为0.05～2um。
本实用新型所述疏松导电层为碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的树枝状结构层。
本实用新型所述疏松导电层为碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的纤维状结构层。
本实用新型所述疏松导电层为碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的笼状结构层。
本实用新型所述疏松导电层为碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的网状结构层。
本实用新型所述疏松导电层为碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的泡沫状结构层。
本实用新型所述疏松导电层为由碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的颗粒状结构层或片状结构层。
本实用新型所述硬壳导电层由致密碳或碳化硅构成，它的密度为1.8～2.0g/cm3。
本实用新型所述硬壳导电层的厚度为0.05～0.5um。
通过以上技术方案，本实用新型的一种锂离子电池负极材料的结构，其具有三层结构，其活性物质层具有较高的储锂容量，但是在嵌/脱Li+过程中体积会发生很大的变化，对外部物质产生很大的压力。疏松导电层由于其结构疏松为弹性记忆结构，在受到内部活性物质层的压力时，可以通过改变自身的结构和体积来达到缓冲活性物质层的体积效应的作用。同时疏松导电层具有良好的导电性，能保证活性物质层与外部的联通。硬壳导电层密度较大，质地较坚硬，具有良好的导电性，即能保证Li+的快速嵌入/脱出，又能保证材料的整体性。同时，因为活性物质层外层包覆有碳材料，可以有效防止电池充放电过程中中心物质的团聚，因此本实用新型的锂离子电池负极结构的电池循环稳定性极好。
附图说明
图1为本实用新型一种锂离子电池负极材料的结构简图。
图2为本实用新型一种锂离子电池负极材料的嵌/脱Li+原理示意图。
图3为树枝状疏松导电层的电池负极结构。
图4为纤维状疏松导电层的电池负极结构。
图5为网状疏松导电层的电池负极结构。
图6为笼状疏松导电层的电池负极结构。
图7为颗粒状疏松导电层的电池负极结构。
图8为片层状疏松导电层的电池负极结构。
图9为泡沫状疏松导电层的电池负极结构。
图中，1，活性物质层；2，疏松导电层；3，硬壳导电层。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的一种锂离子电池负极材料的结构，包括依次径向分布的活性物质层1、疏松导电层2和硬壳导电层3，活性物质层1与硬壳导电层3通过疏松导电层2联通，疏松导电层2的结构为弹性记忆结构，疏松导电层2的容积随活性物质层1的体积变化而变化。。本实用新型采用径向分布的三层结构，并将疏松导电层作为中间层其体积随活性物质层变化而变化，因此该结构能够有效减小充放电过程中的体积效应，缓解甚至消除负极材料的粉化、脱落现象，从而提高电池的比容量和循环稳定性。
上述活性物质层1为亚微米或纳米级的硅、一氧化硅、二氧化硅、锡、一氧化锡、二氧化锡、铜、镍、锰、钴、锑或铅，或者为上述物质的复合物，具有较高的储锂容量。
如图3-图9所示，上述疏松导电层2的厚度为0.05～2um，高度均匀的包覆在活性物质层1的表面。其可以由碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨等导电碳材料组成，其形状可为树枝状、纤维状、笼状、网状、颗粒状、片状或泡沫状等具有弹性记忆的结构，可随活性物质层变化而变化。
上述硬壳导电层3由致密碳或碳化硅构成，它的密度为1.8～2.0g/cm3；厚度为0.05～0.5um；高度均匀的包覆在疏松导电层2的表面；它具有良好的导电性和传输锂离子的能力，同时具有一定刚度，能够承受一定的压力。
如图2所示，具有本实用新型电池负极结构的锂离子电池充放电过程为：放电时锂离子Li+嵌入，此时由于锂离子的嵌入，锂离子电池负极中的活性物质层1体积增大，而硬壳导电层3体积不变，则疏松导电层2容积增大，保证整个体积不变；充电时锂离子脱嵌，由于锂离子的脱离活性物质层1体积减小，此时疏松导电层2容积则减小保持整个体积不变，提高了电池的循环稳定性。而根据实验证明，疏松导电层2的结构可做成树枝状、纤维状、笼状、网状或泡沫状等能收缩变形具有记忆反弹的结构。本实用新型将疏松导电层2作为中间层其体积能随活性物质层1变化，因此该结构能够有效减小充放电过程中的体积效应，缓解甚至消除负极材料的粉化、脱落现象，从而提高电池的比容量和循环稳定性。

Claims (10)

1.一种锂离子电池负极材料的结构，其特征是：包括依次径向分布的活性物质层、疏松导电层和硬壳导电层，所述活性物质层与硬壳导电层通过所述疏松导电层联通，所述疏松导电层的结构为弹性记忆结构，所述疏松导电层的容积随所述活性物质层的体积变化而变化。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极材料的结构，其特征在于，所述疏松导电层的厚度为0.05～2um。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极材料的结构，其特征在于，所述疏松导电层为由碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的树枝状结构层。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极材料的结构，其特征在于，所述疏松导电层为由碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的纤维状结构层。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极材料的结构，其特征在于，所述疏松导电层为由碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的笼状结构层。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极材料的结构，其特征在于，所述疏松导电层为由碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的网状结构层。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极材料的结构，其特征在于，所述疏松导电层为由碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的泡沫状结构层。
8.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极材料的结构，其特征在于，所述疏松导电层为由碳纤维、碳纳米管、热解碳、石墨烯或石墨构成的颗粒状结构层或片状结构层。
9.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极材料的结构，其特征在于，所述硬壳导电层由致密碳或碳化硅构成，密度为1.8～2.0g/cm3。
10.根据权利要求1或8所述的一种锂离子电池负极材料的结构，其特征在于，所述硬壳导电层的厚度为0.05～0.5um。
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CN103346293A (zh) * 2013-06-28 2013-10-09 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 锂离子电池负极材料及其制备方法、锂离子电池

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