專利名稱：一種改性的鋰離子電池負(fù)極材料、負(fù)極及電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可充電池技術(shù)，特別提供了一種改性的鋰離子電池負(fù)極材料，用該材料制備的電池負(fù)極，及使用該電池負(fù)極的鋰離子電池。
背景技術(shù)：
鋰離子電池是一種新型高效的化學(xué)電源，2000年其市場(chǎng)份額已超過(guò)鎳氫、鎳鎘電池之和，被廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品，如移動(dòng)電話、掌上攝像機(jī)、筆記本電腦等的配套電源。隨著材料進(jìn)步和電池設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)，鋰離子電池的應(yīng)用范圍可望從信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步拓展到能源交通(電動(dòng)汽車、電網(wǎng)調(diào)峰)、航天航空、國(guó)防等領(lǐng)域。這也對(duì)鋰離子電池的使用壽命、放電倍率等性能提出了更高要求。鋰離子電池性能的提高在很大程度上決定于負(fù)極材料性能和比容量的改善。
傳統(tǒng)鋰離子電池負(fù)極材料主要有炭材料、鋰合金、鋰過(guò)渡金屬氮化物和導(dǎo)電聚合物。石墨化炭材料的容量較低，大部分硬炭材料有高的不可逆性；鋰合金的機(jī)械和循環(huán)穩(wěn)定性能差；鋰過(guò)渡金屬氮化物因電壓損失較大，并且不能與目前常用的高電位含鋰正極相匹配等，因而難以實(shí)用化。
目前商用鋰離子電池的負(fù)極主要采用中間相炭微球、改性天然石墨等碳質(zhì)材料。以上材料存在放電倍率低、循環(huán)性能較差、充放電容量偏低等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鋰離子電池負(fù)極材料，用該材料制備的電極及鋰離子電池具有較高的電極強(qiáng)度，較高的電池動(dòng)力學(xué)性能，較高的電池循環(huán)性能，較高的電池充放電容量。
本發(fā)明提供了一種改性的鋰離子電池負(fù)極材料，其特征在于該負(fù)極材料由平均直徑范圍在1nm-500nm的準(zhǔn)一維納米炭材料改性而成，準(zhǔn)一維納米炭材料占負(fù)極材料總重量的0.1％-50％。
本發(fā)明改性的鋰離子電池負(fù)極材料中，負(fù)極材料的基礎(chǔ)材料選自天然石墨、中間相炭微球、無(wú)定形炭、硬炭、熱解炭、石油焦、瀝青基炭纖維等碳質(zhì)材料、錫基、硅基材料之一種或多種。
本發(fā)明改性的鋰離子電池負(fù)極材料中，用于改性的準(zhǔn)一維納米炭材料可經(jīng)過(guò)高溫石墨化、短切、表面包覆摻雜、化學(xué)處理。
本發(fā)明改性的鋰離子電池負(fù)極材料中，準(zhǔn)一維納米炭材料最好占負(fù)極材料總重量的1％-30％。
本發(fā)明同時(shí)提供了一種鋰離子電池負(fù)極，其特征在于該電池負(fù)極采用的負(fù)極材料由平均直徑范圍在1nm-500nm的準(zhǔn)一維納米炭材料改性而成，準(zhǔn)一維納米炭材料占負(fù)極材料總重量的0.1％-50％。
本發(fā)明還提供了一種鋰離子電池，其特征在于該電池的負(fù)極材料由平均直徑范圍在1nm-500nm的準(zhǔn)一維納米炭材料改性而成，準(zhǔn)一維納米炭材料占負(fù)極材料總重量的0.1％-50％。
通常情況下，納米碳管和納米炭纖維被認(rèn)為是具有準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)的納米炭材料(這里所指納米碳管和納米炭纖維的直徑分別為1-100nm和100-1000nm)，它具有長(zhǎng)徑比大、比強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。
本發(fā)明首次提出將納米炭纖維/納米碳管用作鋰離子電池負(fù)極改性材料，首先它的強(qiáng)度高、長(zhǎng)徑比大，是一種理想的增強(qiáng)體材料。只需添加較小體積比的納米炭纖維/納米碳管就能有效提高電極強(qiáng)度、延長(zhǎng)電池的壽命。其次，納米炭纖維/納米碳管具有良好的導(dǎo)電性，大長(zhǎng)徑比、高導(dǎo)電率的納米炭纖維/納米碳管的加入有利于形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，能大幅度提高電極的導(dǎo)電能力。由于協(xié)同效應(yīng)，電極中鋰離子的化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)將相應(yīng)大幅度提高，電池的電化學(xué)極化和內(nèi)阻分壓將明顯下降，有利于電池的高功率充放電，從而有效提高電極性能。第三，一般認(rèn)為，鋰離子在電極內(nèi)部的擴(kuò)散速率是其嵌入/脫出過(guò)程的控制步驟，由于納米炭纖維/納米碳管具有納米尺度，鋰離子嵌入和脫出的行程較傳統(tǒng)電極材料短得多，而且鋰離子沿納米炭纖維/納米碳管軸向擴(kuò)散的速率要比它在焦炭和天然石墨中的擴(kuò)散速率快得多。因而經(jīng)過(guò)適當(dāng)預(yù)處理(如石墨化、短切、分散、表面氧化腐蝕、摻雜等)的納米炭纖維/納米碳管改性的負(fù)極材料可以有效提高鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)性能，為鋰離子電池在高動(dòng)力學(xué)性能工況下工作提供可能。
總之，本發(fā)明提出以納米炭材料改性鋰離子電池負(fù)極，發(fā)展新型復(fù)合負(fù)極材料，從而提高鋰離子電池的性能。利用納米碳管/納米炭纖維的良好力學(xué)性能提高電極強(qiáng)度；利用該材料的納米尺度效應(yīng)提高鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)性能；利用準(zhǔn)一維納米炭的大長(zhǎng)徑比形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)提高鋰離子電池的循環(huán)性能；通過(guò)在準(zhǔn)一維納米炭表面摻雜或包覆錫、硅、硼等金屬和非金屬元素提高鋰離子電池的充放電容量。
大量實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)納米碳管/納米炭纖維改性的鋰離子電池負(fù)極的循環(huán)壽命、充放電容量、放電倍率等技術(shù)指標(biāo)均獲得提高，從而有效提高了鋰離子電池的性能。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1選用平均直徑50nm的納米碳管，以重量百分比10％的比例與天然石墨混合均勻得到改性負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)結(jié)果為500次循環(huán)充放電后容量提高20％，首次容量提高10％，首次效率保持不變。
實(shí)施例2選用平均直徑200nm的納米炭纖維，以重量百分比10％的比例與天然石墨混合均勻得到改性負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)500次循環(huán)充放電后容量提高15％，首次容量提高8％，首次效率保持不變。
實(shí)施例3選用平均直徑100nm且經(jīng)過(guò)石墨化處理的納米碳管，以重量百分比5％的比例與天然石墨混合均勻得到改性負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)500次循環(huán)充放電后容量提高20％，首次容量提高5％，首次效率保持不變。
實(shí)施例4選用平均直徑80nm且表面包覆錫的納米碳管，以重量百分比10％的比例與天然石墨混合均勻得到改性負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)500次循環(huán)充放電后容量提高15％，首次容量提高15％，首次效率保持不變。
實(shí)施例5選用平均直徑30nm的納米碳管，以重量百分比10％的比例與中間相炭微球混合均勻得到改性負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)結(jié)果為500次循環(huán)充放電后容量提高20％，首次容量提高8％，首次效率保持不變。
實(shí)施例6選用平均直徑100nm且經(jīng)過(guò)石墨化處理的納米碳管，以重量百分比5％的比例與中間相炭微球混合均勻得到改性負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)500次循環(huán)充放電后容量提高20％，首次容量提高5％，首次效率保持不變。
實(shí)施例7選用平均直徑100nm且表面包覆硅的納米碳管，以重量百分比15％的比例與中間相炭微球混合均勻得到改性負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)500次循環(huán)充放電后容量提高15％，實(shí)施例8選用平均直徑100nm且經(jīng)過(guò)石墨化處理的納米碳管，以重量百分比10％的比例與氧化錫混合均勻得到改性負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)500次循環(huán)充放電后容量提高30％。
實(shí)施例9選用平均直徑400nm且經(jīng)過(guò)石墨化處理的納米炭纖維，以重量百分比30％的比例與天然石墨混合均勻得到改性負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)500次循環(huán)充放電后容量提高20％，首次效率保持不變。
實(shí)施例10選用平均直徑1.8nm的納米碳管，以重量百分比1％的比例與中間相炭微球混合均勻得到改性負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)結(jié)果為500次循環(huán)充放電后容量提高15％，首次容量提高5％，首次效率保持不變。
實(shí)施例11選用平均直徑150nm且表面包覆熱解炭的納米碳管，以重量百分比10％的比例與改性天然石墨混合均勻得到復(fù)合負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)500次循環(huán)充放電后容量提高20％，首次容量提高18％，首次效率保持不變。
實(shí)施例12選用平均直徑100nm經(jīng)過(guò)石墨化處理且包覆硅的納米碳管，以重量百分比8％的比例與硬炭球混合均勻得到改性負(fù)極材料。按常規(guī)鋰離子電池負(fù)極評(píng)價(jià)方法檢測(cè)500次循環(huán)充放電后容量提高20％，首次容量提高5％，首次效率保持不變。
權(quán)利要求
1.一種改性的鋰離子電池負(fù)極材料，其特征在于該負(fù)極材料由平均直徑范圍在1nm-500nm的準(zhǔn)一維納米炭材料改性而成，準(zhǔn)一維納米炭材料占負(fù)極材料總重量的0.1％-50％。
2.按照權(quán)利要求1所述改性的鋰離子電池負(fù)極材料，其特征在于所述負(fù)極材料的基礎(chǔ)材料選自天然石墨、中間相炭微球、無(wú)定形炭、硬炭、熱解炭、石油焦、瀝青基炭纖維等碳質(zhì)材料、錫基、硅基材料之一種或多種。
3.按照權(quán)利要求2所述改性的鋰離子電池負(fù)極材料，其特征在于所述用于改性的準(zhǔn)一維納米炭材料經(jīng)過(guò)高溫石墨化、短切、表面包覆摻雜、化學(xué)處理。
4.按照權(quán)利要求3所述改性的鋰離子電池負(fù)極材料，其特征在于所述準(zhǔn)一維納米炭材料占負(fù)極材料總重量的1％-30％。
5.一種鋰離子電池負(fù)極，其特征在于該電池負(fù)極采用的負(fù)極材料由平均直徑范圍在1nm-500nm的準(zhǔn)一維納米炭材料改性而成，準(zhǔn)一維納米炭材料占負(fù)極材料總重量的0.1％-50％。
6.按照權(quán)利要求5所述鋰離子電池負(fù)極，其特征在于所述負(fù)極材料的基礎(chǔ)材料選自天然石墨、中間相炭微球、無(wú)定形炭、硬炭、熱解炭、石油焦、瀝青基炭纖維等碳質(zhì)材料、錫基、硅基材料之一種或多種。
7.按照權(quán)利要求6所述鋰離子電池負(fù)極，其特征在于所述用于改性的準(zhǔn)一維納米炭材料可經(jīng)過(guò)高溫石墨化、短切、表面包覆摻雜、化學(xué)處理。
8.按照權(quán)利要求7所述鋰離子電池負(fù)極，其特征在于所述準(zhǔn)一維納米炭材料占負(fù)極材料總重量的1％-30％。
9.一種鋰離子電池，其特征在于該電池的負(fù)極材料由平均直徑范圍在1nm-500nm的準(zhǔn)一維納米炭材料改性而成，準(zhǔn)一維納米炭材料占負(fù)極材料總重量的0.1％-50％。
10.按照權(quán)利要求9所述鋰離子電池，其特征在于所述負(fù)極材料的基礎(chǔ)材料選自天然石墨、中間相炭微球、無(wú)定形炭、硬炭、熱解炭、石油焦、瀝青基炭纖維等碳質(zhì)材料、錫基、硅基材料之一種或多種。
全文摘要
一種改性的鋰離子電池負(fù)極材料、負(fù)極及電池，負(fù)極材料由平均直徑范圍在1nm－500nm的準(zhǔn)一維納米碳材料改性而成，準(zhǔn)一維納米碳材料占負(fù)極材料總重量的0.1％－50％；負(fù)極材料的基礎(chǔ)材料選自天然石墨、中間相炭微球、無(wú)定形炭、硬炭、熱解炭、石油焦、瀝青基碳纖維等碳質(zhì)材料、錫基、硅基材料之一種或多種。大量實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)納米碳管/納米碳纖維改性的鋰離子電池負(fù)極的循環(huán)壽命、充放電容量、放電倍率等技術(shù)指標(biāo)均獲得提高，從而有效提高了鋰離子電池的性能。
文檔編號(hào)H01M10/40GK1670991SQ20041002139
公開(kāi)日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2004年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月16日
發(fā)明者成會(huì)明, 劉暢, 張勇, 張緒剛, 李峰, 王作明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所