專利名稱：一種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著微電子エ業(yè)、汽車行業(yè)的快速發(fā)展，以及各種便攜式通訊設(shè)備、個人電腦、小型電子設(shè)備的普及，人類對鋰離子電池的要求也朝著高能量密度、高功率密度、高安全性、長壽命、快速充放電、輕薄的方向發(fā)展。目前，商業(yè)化的鋰離子電池以石墨為負(fù)極、含鋰的化合物為正極。其中，石墨的理論比容量只有372mAh/g，這成為提高鋰離子電池性能的巨大阻礙。因此，近年來開發(fā)高容量的新型負(fù)極材料成為鋰離子電池領(lǐng)域的研究重點。目前，具有高比容量的金屬合金及金屬氧化物引起研究者的關(guān)注。與傳統(tǒng)碳負(fù)極材料相比，他們具有極高的儲鋰容量，例如硅(4200mAh/g)，錫(994mAh/g)，氧化錫(781mAh/g)。但是他們作為鋰離子電池負(fù)極材料也存在較大的問題電池充放電過程中，負(fù)極材料產(chǎn)生嚴(yán)重的體積膨脹效應(yīng)(硅高達(dá)300% )，會引起電極粉化，從而降低電池使用壽命；電池多次充放電會引起負(fù)極材料發(fā)生團(tuán)聚，影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性。目前解決這些問題的途徑主要有①制備納米尺寸的負(fù)極材料，緩解充放電過程中的體積膨脹；②將非活性物質(zhì)與活性儲鋰材料復(fù)合，降低負(fù)極材料的體積膨脹，同時防止活性物質(zhì)的團(tuán)聚制備特殊結(jié)構(gòu)的負(fù)極材料，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢來緩解負(fù)極材料的體積膨脹。在現(xiàn)有的研究中，許多人已經(jīng)在一定程度上解決了以上問題。中國專利CN1402366A公開了ー種具有核殼結(jié)構(gòu)的Si-C-X復(fù)合負(fù)極材料,他可以在一定程度上緩解活性物質(zhì)的團(tuán)聚和充放電過程中的體積膨脹。研究者首先將含碳前軀體先溶于有機(jī)溶劑中，再慢慢加入硅合金粉末，形成均勻的溶液。在80°C下?lián)]發(fā)有機(jī)溶液，得到硅合金-碳前軀體混合物。再將此混合物在惰性氣氛中煅燒得到硅合金-碳復(fù)合材料。但是這種方法制備復(fù)合材料的碳包覆層厚度不均勻，碳層與硅合金之間的結(jié)合力較弱，在快速充放電過程中碳層容易與硅合金分離、剝落，嚴(yán)重影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是提供ー種具有三層結(jié)構(gòu)能保證整體體積不變的電池負(fù)極結(jié)構(gòu)，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。本發(fā)明的一種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，包括依次徑向分布的活性物質(zhì)層、疏松導(dǎo)電層和硬殼導(dǎo)電層，所述活性物質(zhì)層與硬殼導(dǎo)電層通過所述疏松導(dǎo)電層聯(lián)通，所述疏松導(dǎo)電層的結(jié)構(gòu)為彈性記憶結(jié)構(gòu)，所述疏松導(dǎo)電層的容積隨所述活性物質(zhì)層的體積變化而變化。本發(fā)明采用徑向分布的三層結(jié)構(gòu)，并將疏松導(dǎo)電層作為中間層其容積隨活性物質(zhì)層變化而變化，因此該結(jié)構(gòu)能夠有效減小充放電過程中的體積效應(yīng)，緩解甚至消除負(fù)極材料的粉化、脫落現(xiàn)象，從而提高電池的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。本發(fā)明所述疏松導(dǎo)電層的厚度為O. 05 2um。本發(fā)明所述疏松導(dǎo)電層為碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的樹枝狀結(jié)構(gòu)層。本發(fā)明所述疏松導(dǎo)電層為碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的纖維狀結(jié)構(gòu)層。本發(fā)明所述疏松導(dǎo)電層為碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的籠狀結(jié)構(gòu)層。
本發(fā)明所述疏松導(dǎo)電層為碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)層。本發(fā)明所述疏松導(dǎo)電層為碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的泡沫狀結(jié)構(gòu)層。本發(fā)明所述疏松導(dǎo)電層為由碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的顆粒狀結(jié)構(gòu)層或片狀結(jié)構(gòu)層。本發(fā)明所述硬殼導(dǎo)電層由致密碳或碳化硅構(gòu)成，它的密度為I. 8 2. Og/cm3。本發(fā)明所述硬殼導(dǎo)電層的厚度為O. 05 O. 5um。通過以上技術(shù)方案，本發(fā)明的ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其具有三層結(jié)構(gòu)，其活性物質(zhì)層具有較高的儲鋰容量，但是在嵌/脫Li+過程中體積會發(fā)生很大的變化，對外部物質(zhì)產(chǎn)生很大的壓力。疏松導(dǎo)電層由于其結(jié)構(gòu)疏松為彈性記憶結(jié)構(gòu)，在受到內(nèi)部活性物質(zhì)層的壓カ時，可以通過改變自身的結(jié)構(gòu)和體積來達(dá)到緩沖活性物質(zhì)層的體積效應(yīng)的作用。同時疏松導(dǎo)電層具有良好的導(dǎo)電性，能保證活性物質(zhì)層與外部的聯(lián)通。硬殼導(dǎo)電層密度較大，質(zhì)地較堅硬，具有良好的導(dǎo)電性，即能保證Li+的快速嵌入/脫出，又能保證材料的整體性。同時，因為活性物質(zhì)層外層包覆有碳材料，可以有效防止電池充放電過程中中心物質(zhì)的團(tuán)聚，因此本發(fā)明的鋰離子電池負(fù)極結(jié)構(gòu)的電池循環(huán)穩(wěn)定性極好。


圖I為本發(fā)明ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)簡圖。圖2為本發(fā)明ー種鋰離子電池負(fù)極材料的嵌/脫Li+原理示意圖。圖3為樹枝狀疏松導(dǎo)電層的電池負(fù)極結(jié)構(gòu)。圖4為纖維狀疏松導(dǎo)電層的電池負(fù)極結(jié)構(gòu)。圖5為網(wǎng)狀疏松導(dǎo)電層的電池負(fù)極結(jié)構(gòu)。圖6為籠狀疏松導(dǎo)電層的電池負(fù)極結(jié)構(gòu)。圖7為顆粒狀疏松導(dǎo)電層的電池負(fù)極結(jié)構(gòu)。圖8為片層狀疏松導(dǎo)電層的電池負(fù)極結(jié)構(gòu)。圖9為泡沫狀疏松導(dǎo)電層的電池負(fù)極結(jié)構(gòu)。圖中，1，活性物質(zhì)層；2，疏松導(dǎo)電層；3，硬殼導(dǎo)電層。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明的ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，包括依次徑向分布的活性物質(zhì)層I、疏松導(dǎo)電層2和硬殼導(dǎo)電層3，活性物質(zhì)層I與硬殼導(dǎo)電層3通過疏松導(dǎo)電層2聯(lián)通，疏松導(dǎo)電層2的結(jié)構(gòu)為彈性記憶結(jié)構(gòu)，疏松導(dǎo)電層2的容積隨活性物質(zhì)層I的體積變化而變化。。本發(fā)明采用徑向分布的三層結(jié)構(gòu)，并將疏松導(dǎo)電層作為中間層其體積隨活性物質(zhì)層變化而變化，因此該結(jié)構(gòu)能夠有效減小充放電過程中的體積效應(yīng)，緩解甚至消除負(fù)極材料的粉化、脫落現(xiàn)象，從而提高電池的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。上述活性物質(zhì)層I為亞微米或納米級的硅、一氧化硅、ニ氧化硅、錫、一氧化錫、ニ氧化錫、銅、鎳、錳、鈷、銻或鉛，或者為上述物質(zhì)的復(fù)合物，具有較高的儲鋰容量。如圖3-圖9所示，上述疏松導(dǎo)電層2的厚度為O. 05 2um，高度均勻的包覆在活性物質(zhì)層I的表面。其可以由碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨等導(dǎo)電碳材料組成，其形狀可為樹枝狀、纖維狀、籠狀、網(wǎng)狀、顆粒狀、片狀或泡沫狀等具有弾性記憶的結(jié)構(gòu)，可隨活性物質(zhì)層變化而變化。上述硬殼導(dǎo)電層3由致密碳或碳化硅構(gòu)成，它的密度為I. 8 2. Og/cm3 ;厚度為
O.05 O. 5um ;高度均勻的包覆在疏松導(dǎo)電層2的表面；它具有良好的導(dǎo)電性和傳輸鋰離子的能力，同時具有一定剛度，能夠承受一定的壓力。 如圖2所示，具有本發(fā)明電池負(fù)極結(jié)構(gòu)的鋰離子電池充放電過程為放電時鋰離子Li+嵌入，此時由于鋰離子的嵌入，鋰離子電池負(fù)極中的活性物質(zhì)層I體積増大，而硬殼導(dǎo)電層3體積不變，則疏松導(dǎo)電層2容積増大，保證整個體積不變；充電時鋰離子脫嵌，由于鋰離子的脫離活性物質(zhì)層I體積減小，此時疏松導(dǎo)電層2容積則減小保持整個體積不變，提高了電池的循環(huán)穩(wěn)定性。而根據(jù)實驗證明，疏松導(dǎo)電層2的結(jié)構(gòu)可做成樹枝狀、纖維狀、籠狀、網(wǎng)狀或泡沫狀等能收縮變形具有記憶反彈的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明將疏松導(dǎo)電層2作為中間層其體積能隨活性物質(zhì)層I變化，因此該結(jié)構(gòu)能夠有效減小充放電過程中的體積效應(yīng)，緩解甚至消除負(fù)極材料的粉化、脫落現(xiàn)象，從而提高電池的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其特征是包括依次徑向分布的活性物質(zhì)層、疏松導(dǎo)電層和硬殼導(dǎo)電層，所述活性物質(zhì)層與硬殼導(dǎo)電層通過所述疏松導(dǎo)電層聯(lián)通，所述疏松導(dǎo)電層的結(jié)構(gòu)為彈性記憶結(jié)構(gòu)，所述疏松導(dǎo)電層的容積隨所述活性物質(zhì)層的體積變化而變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述疏松導(dǎo)電層的厚度為O. 05 2um。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述疏松導(dǎo)電層為由碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的樹枝狀結(jié)構(gòu)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述疏松導(dǎo)電層為由碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的纖維狀結(jié)構(gòu)層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述疏松導(dǎo)電層為由碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的籠狀結(jié)構(gòu)層。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述疏松導(dǎo)電層為由碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)層。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述疏松導(dǎo)電層為由碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的泡沫狀結(jié)構(gòu)層。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述疏松導(dǎo)電層為由碳纖維、碳納米管、熱解碳、石墨烯或石墨構(gòu)成的顆粒狀結(jié)構(gòu)層或片狀結(jié)構(gòu)層。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述硬殼導(dǎo)電層由致密碳或碳化娃構(gòu)成，密度為I. 8 2. Og/cm3。
10.根據(jù)權(quán)利要求I或8所述的ー種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述硬殼導(dǎo)電層的厚度為O. 05 O. 5um。
全文摘要
本發(fā)明公開一種鋰離子電池負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)，其包括依次徑向分布的活性物質(zhì)層、疏松導(dǎo)電層和硬殼導(dǎo)電層，所述活性物質(zhì)層與硬殼導(dǎo)電層通過所述疏松導(dǎo)電層聯(lián)通，所述疏松導(dǎo)電層的結(jié)構(gòu)為彈性記憶結(jié)構(gòu)，所述疏松導(dǎo)電層的容積隨所述活性物質(zhì)層的體積變化而變化。本發(fā)明采用徑向分布的三層結(jié)構(gòu)，并將疏松導(dǎo)電層作為中間層其體積能隨活性物質(zhì)層變化，因此該結(jié)構(gòu)能夠有效減小充放電過程中的體積效應(yīng)，緩解甚至消除負(fù)極材料的粉化、脫落現(xiàn)象，從而提高電池的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。
文檔編號H01M4/133GK102646812SQ20121012411
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者王華平, 王彪, 白雪君, 程旭 申請人:東華大學(xué)