一种高能量密度锂电池负极材料及其制备方法与流程

本发明属于二次电池，具体涉及一种高能量密度锂电池负极材料及其制备方法。

背景技术：

1、锂电池是一种常见的充电式二次电池，在结构上包括正极材料、负极材料、电解质和隔膜等。隔膜用于隔离正极和负极，防止短路。电解质是正极和负极之间的导电介质，主要功能是允许锂离子在正极和负极之间传输。锂离子电池的正极材料一般为含锂化合物，负极材料一般为碳材料，充电过程中，锂离子从正极移动到负极，嵌入负极材料中，放电过程中，锂离子从负极脱嵌并回到正极。锂电池相较于铅酸电池具有能量密度大、工作电压高、自放电率小、体积小、重量轻、循环寿面长等优势，广泛应用于各种便携式电子设备、电动汽车、无人机等产品中。

2、随着新能源汽车行业的发展，对于提高锂电池的能量密度的研究也在不断进行。锂电池的能量密度受多个因素影响，除了电池本身尺寸和形状的限制，以及电池使用温度等的影响，正极材料和负极材料的能量密度是决定锂离子电池能量密度的关键因素。现有负极材料存在收缩膨胀率较大的问题，在电池充放电过程中由于体积的变化，导致负极材料出现裂纹或剥落，最终影响电池的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种高能量密度锂电池负极材料，解决现有负极材料膨胀率过大而导致循环性能下降的问题；本发明的目的之二在于提供一种高能量密度锂电池负极材料的制备方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种高能量密度锂电池负极材料，按质量份计包括如下原料：

4、碳基粉末52-64份、纳米硅片16-28份、导电剂8-10份、粘结剂8-10份。

5、进一步地，导电剂为尺寸＜100nm的纳米炭黑或碳纳米管。

6、进一步地，粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚亚酰胺或聚硅氧烷中的一种或多种按任意比混合。

7、一种高能量密度锂电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：

8、步骤一：将壳聚糖和质量分数为1-2％的醋酸溶液加入反应釜中，在55-65℃和1500-2000r/min的搅拌速度下搅拌20-40min，然后降温至10-25℃，向反应釜中通入氮气并排出空气，在氮气保护下向反应釜中加入叶酸和六水合硝酸钴，在6000-8000r/min的条件下剪切分散15-20min，得到悬浊液，将悬浊液喷雾干燥，得到粒径为5-10μm的壳聚糖-叶酸复合微球；

9、步骤二：将壳聚糖-叶酸复合微球转移进石墨坩埚并置入管式炉中，在氮气保护下，按照2-5℃/min的速率升温至750-780℃后煅烧1-1.5h，自然冷却，得到预制炭粉；将预制炭粉20-30倍质量的红磷装入新的石墨坩埚中，然后和装有预制炭粉的石墨坩埚一同置入管式炉中，在混合气体的氛围下，按照5℃/min的速率升温至680-700℃后保温4.5-5h，得到碳基粉末；

10、步骤三：将硅微粉加入反应釜中，然后充入液氮保温12-14h，然后排出液氮并立刻加入体积分数为50％的异丙醇水溶液，在25-30℃的条件下超声分散8-10h，得到分散液，将分散液在2500-3000r/min转速下离心25-35min，取上清液并在10000r/min的转速下离心25-35min，收集沉淀并冷冻干燥，得到厚度为2-3nm且平面尺寸为100-300nm的纳米硅片；

11、步骤四：将碳基粉末、纳米硅片、导电剂和粘结剂混合均匀，得到高能量密度锂电池负极材料。

12、进一步地，步骤一中壳聚糖、醋酸溶液、叶酸和六水合硝酸钴的用量比为2-2.5g：100ml：0.6-0.8：0.3-0.37g。

13、进一步地，步骤二中混合气体为氩气和氢气按照4：1的质量比混合而成。

14、进一步地，步骤三中硅微粉、液氮和异丙醇水溶液的用量比为1g：10-20ml：180-220ml。

15、本发明的有益效果：

16、本发明高能量密度锂电池负极材料制备成锂电池负极材料后，在锂电池充电后具有较低的膨胀率，能够避免电池负极出现裂纹或崩落，能够增加锂电池的循环次数，从而有助于增加锂电池的使用寿命。

17、本发明高能量密度锂电池负极材料的主要原料为碳基粉末和纳米硅片，碳基粉末以壳聚糖、六水合硝酸钴和叶酸为初始原料制备成不规则球形的壳聚糖-叶酸复合微球；这些原料有助于在预制炭粉中引入氮，从而起到增强导电性的作用，并且在碳化过程中，在钴元素的催化下碳骨架向外生长，有助于增加的表面粗糙度和提高碳基粉末的比表面积，最终有助于缓冲负极材料体积膨胀引起的应力变化；在混合气体中氢气的还原下，预制炭粉中的氧化钴被还原，红磷在高温下形成磷蒸汽并与钴反应成具有较大比容量的磷化钴，有助于提高碳基粉末的稳定性和提高锂电池的循环性能。

18、硅微粉在液氮的作用下发生脆化，然后纳米硅片通过异丙醇水溶液超声分散，有助于硅微粉发生剥离成片状，然后在离心力的作用下分离出厚度为2-3nm且平面尺寸为100-300nm的纳米硅片。硅具有较高的理论容量，纳米硅片的添加不仅有助于提高电池的能量密度，而且通过纳米级的纳米硅片能够有效填充微米级的碳基粉末，有助于提高负极材料的密度。片状的纳米硅片相较于普通球形纳米硅粉有助于分散应力，能够更好地容纳锂电池充放电时负极材料的体积变化，和碳基粉末相互作用下，有助于减少锂电池负极材料的损坏，提高电池的循环性能和使用寿命。

技术特征：

1.一种高能量密度锂电池负极材料，其特征在于，按质量份计，包括以下原料：

2.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂电池负极材料，其特征在于，所述壳聚糖-叶酸复合微球的粒径为5-10μm。

3.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂电池负极材料，其特征在于，所述预制炭粉和红磷的质量比为1：20-30。

4.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂电池负极材料，其特征在于，步骤一中所述壳聚糖、醋酸溶液、叶酸和六水合硝酸钴的用量比为2-2.5g：100ml：0.6-0.8：0.3-0.37g。

5.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂电池负极材料，其特征在于，步骤二中所述混合气体为氩气和氢气按照4：1的质量比混合而成。

6.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂电池负极材料，其特征在于，所述纳米硅片通过如下步骤制备：

7.根据权利要求6所述的一种高能量密度锂电池负极材料，其特征在于，所述硅微粉、液氮和异丙醇水溶液的用量比为1g：10-20ml：180-220ml。

8.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂电池负极材料，其特征在于，所述导电剂为尺寸＜100nm的纳米炭黑或碳纳米管。

9.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂电池负极材料，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚亚酰胺或聚硅氧烷中的一种或多种按任意比混合。

10.根据权利要求1所述的一种高能量密度锂电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种高能量密度锂电池负极材料及其制备方法，属于二次电池技术领域，按质量份计包括原料碳基粉末52‑64份、纳米硅片16‑28份、导电剂8‑10份、粘结剂8‑10份；预制炭粉中引入氮起到增强导电性的作用，磷化钴有助于提高其稳定性和提高锂电池的循环性能；硅具有较高的理论容量，纳米硅片的添加不仅有助于提高电池的能量密度，而且通过纳米级的纳米硅片能够有效填充微米级的碳基粉末，有助于提高负极材料的密度。片状的纳米硅片相较于普通球形纳米硅粉有助于分散应力，能够更好地容纳锂电池充放电时负极材料的体积变化，和碳基粉末相互作用下，有助于减少锂电池负极材料的损坏，提高电池的循环性能和使用寿命。

技术研发人员：蒋小华,徐志富,刘小辉,韦浪
受保护的技术使用者：湖南沃尔顿新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16