本發(fā)明涉及新能源材料，尤其涉及一種負極材料及其制備方法以及負極極片與鋰離子電池。

背景技術：

1、隨著大規(guī)模儲能技術、電動汽車以及各種電子設備的快速發(fā)展，現(xiàn)有的商用鋰離子電池系統(tǒng)的能量密度已經(jīng)無法滿足這些領域日益增長的需求。

2、金屬鋰的克容量為3860mah/g，且具有最低的電極電位，使得金屬鋰能夠作為電池的負極，在提升電池能量密度上具有絕對的優(yōu)勢。然而，目前金屬鋰作為負極面臨著以下問題：如循環(huán)壽命短、安全性低、鋰枝晶的不可控生長、死鋰的形成以及不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面層等。這些問題會導致低的可逆容量，低的首次庫倫效率，較差的循環(huán)穩(wěn)定性，以及較差的倍率性能。

3、目前，業(yè)內(nèi)主要研究方向是通過采用載體材料作為金屬鋰的負載基體制備復合金屬鋰負極，降低局部電流密度、調(diào)控鋰沉積的方法來抑制金屬鋰枝晶生長。然而，目前利用載體材料負載金屬鋰負極的方法主要包括鋰熱熔法和電沉積鋰法。這個兩種過程復雜，效率低，成本高，難于大規(guī)模制備與應用，因此未能得到有效突破。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種負極材料及其制備方法以及負極極片與鋰離子電池。負極材料為三維多孔網(wǎng)絡結(jié)構，通過分散在負極材料內(nèi)部的親鋰化合物誘導充放過程中鋰均勻沉積，從而提高復合金屬鋰負極的倍率性能和循環(huán)性能。

2、為此，第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種負極材料，呈三維多孔網(wǎng)絡結(jié)構，由高比表多孔碳、親鋰化合物、金屬鋰和氣凝膠外碳層組成；

3、其中，所述親鋰化合物和金屬鋰分散在高比表多孔碳的空隙中及表面；通過所述高比表多孔碳與親鋰化合物相結(jié)合，提供用以金屬鋰沉積的基底，所述親鋰化合物作為鋰元素成核位點用于誘導鋰均勻沉積，使鋰離子在充放電過程中均勻地在所述負極材料中進行嵌入和脫出，用以抑制負極材料表面鋰枝晶的形成；

4、所述氣凝膠外碳層包覆在所述高比表多孔碳的外部，部分金屬鋰分散在所述氣凝膠外碳層中，通過所述氣凝膠外碳層與分散有親鋰化合物和金屬鋰的高比表多孔碳提供由外到內(nèi)的導電網(wǎng)絡，用以提高所述負極材料的導電性。

5、優(yōu)選的，所述金屬鋰通過液態(tài)金屬浸入并由親鋰化合物誘導沉積形成；

6、所述液態(tài)金屬鋰溶液包括：金屬鋰材料、芳香族化合物和醚類有機溶劑的共混溶液；

7、所述金屬鋰材料包括：金屬鋰帶、金屬鋰粉、金屬鋰片中一種或多種的組合；

8、所述芳香族化合物包括：聯(lián)苯、聯(lián)苯的衍生物、萘、萘的衍生物、蒽或蒽的衍生物中的一種或多種的組合；

9、所述醚類溶劑包括：乙醚、甲醚、乙二醇二甲醚、二丙醚、二異丙醚、乙基丁基醚、二丁醚、二戊醚、二異戊醚、二已醚、四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、二甲氧基甲烷、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷中任意一種或多種的組合。

10、優(yōu)選的，所述親鋰化合物包括：氧化銅、納米氧化鋅、納米鋅粉、納米氧化鈮中的任意一種或多種的組合；

11、所述高比表多孔碳的比表面積為1500～2500m2/g。

12、第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種上述第一方面所述的負極材料的制備方法，包括：

13、將高比表多孔碳和十六烷基三甲基溴化銨按照所需質(zhì)量比在去離子水中進行超聲混合均勻，經(jīng)過真空抽濾、洗滌烘干后得到表面處理后的高比表多孔碳；

14、將親鋰化合物超聲分散在溶劑中得到均勻懸浮液，再將所述表面處理后的高比表多孔碳加到懸浮液中繼續(xù)超聲，經(jīng)過真空抽濾、洗滌烘干后得到復合物；

15、通過氣相聚合法在所述復合物的外層制備氣凝膠外碳層，得到氣凝膠外碳層包覆的復合材料；

16、將金屬鋰材料和芳香族化合物按照所需質(zhì)量比在惰性環(huán)境下溶解于醚類有機溶劑中得到液態(tài)金屬鋰溶液；

17、將所述氣凝膠外碳層包覆的復合材料加入到所述液態(tài)金屬鋰溶液中，在手套箱中惰性環(huán)境下攪拌使溶劑揮發(fā)，得到負極材料。

18、優(yōu)選的，所述高比表多孔碳和十六烷基三甲基溴化銨的質(zhì)量比為(5-15)：1；所述高比表多孔碳的比表面積為1500～2500m2/g；

19、所述超聲混合在超聲粉碎機中進行，超聲功率為120～200w，超聲時間為0.5～1h。

20、優(yōu)選的，所述高比表多孔碳與所述親鋰化合物的質(zhì)量比為(15-25)：1；

21、所述親鋰化合物包括：氧化銅、納米氧化鋅、納米鋅粉、納米氧化鈮中的任意一種或多種的組合；

22、所述溶劑為離子水、無水乙醇、乙二醇或丙酮中的任一種。

23、優(yōu)選的，所述金屬鋰材料包括：金屬鋰帶、金屬鋰粉、金屬鋰片中一種或多種的組合；

24、所述芳香族化合物包括：聯(lián)苯、聯(lián)苯的衍生物、萘、萘的衍生物、蒽或蒽的衍生物中的一種或多種的組合；

25、所述醚類溶劑包括：乙醚、甲醚、乙二醇二甲醚、二丙醚、二異丙醚、乙基丁基醚、二丁醚、二戊醚、二異戊醚、二已醚、四氫呋喃、2-甲基四氫呋喃、二甲氧基甲烷、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷中任意一種或多種的組合；

26、所述金屬鋰和芳香族化合物的質(zhì)量比為1：9-5：5；

27、所述惰性環(huán)境為氮氣環(huán)境或氬氣環(huán)境。

28、優(yōu)選的，所述氣相聚合法具體為：采用對甲苯磺酸鐵的氧化催化作用使有機碳源在所述復合物的表面聚合形成所述氣凝膠外碳層，具體步驟包括：

29、將所述對甲苯磺酸鐵和所述復合物按照一定質(zhì)量分數(shù)分散于有機溶劑中形成懸浮液，將所述懸浮液涂覆于玻璃板上并置于烘箱內(nèi)干燥，將干燥后的物質(zhì)連同玻璃板轉(zhuǎn)移至充滿吡咯蒸汽的腔體內(nèi)催化聚合，直至物質(zhì)變?yōu)樽厣臍饽z外碳層包覆的復合材料；

30、其中，所述有機溶劑包括：正丁醇、乙醇、甲醇和丙醇一種或多種的組合；所述懸浮液中，所述復合物的質(zhì)量分數(shù)為20％～40％；所述對甲苯磺酸鐵的質(zhì)量分數(shù)為0.2％～0.8％；所述烘箱的干燥溫度為70℃～85℃。

31、第三方面，本發(fā)明實施例提供了一種負極極片，所述負極極片包括：上述第一方面所述的負極材料，或者包括，上述第二方面所述的制備方法制備得到的負極材料。

32、第四方面，本發(fā)明實施例提供了一種鋰離子電池，所述鋰離子電池包括上述第一方面所述的負極極片。

33、本發(fā)明實施例提供的復合金屬鋰負極材料為三維多孔網(wǎng)絡結(jié)構，其中高比表多孔碳與親鋰化合物相結(jié)合可以提供一個良好的鋰沉積基底，親鋰化合物作為鋰元素成核位點可以誘導鋰均勻沉積，使鋰離子在充放電過程中均勻地嵌入和脫出，從而抑制復合金屬鋰負極材料表面鋰枝晶的形成，提高金屬鋰負極的安全性和循環(huán)穩(wěn)定性；氣凝膠外碳層和內(nèi)部高比表多孔碳可提供由外到內(nèi)的導電網(wǎng)絡，提高復合金屬鋰負極的導電性，從而提高復合金屬鋰負極的倍率性能。

技術特征：

1.一種負極材料，其特征在于，所述負極材料呈三維多孔網(wǎng)絡結(jié)構，由高比表多孔碳、親鋰化合物、金屬鋰和氣凝膠外碳層組成；

2.根據(jù)權利要求1所述的負極材料，其特征在于，所述金屬鋰通過液態(tài)金屬浸入并由親鋰化合物誘導沉積形成；

3.根據(jù)權利要求1所述的負極材料，其特征在于，所述親鋰化合物包括：氧化銅、納米氧化鋅、納米鋅粉、納米氧化鈮中的任意一種或多種的組合；

4.一種上述權利要求1-3任一所述的負極材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括：

5.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述高比表多孔碳和十六烷基三甲基溴化銨的質(zhì)量比為(5-15)：1；所述高比表多孔碳的比表面積為1500～2500m2/g；

6.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述高比表多孔碳與所述親鋰化合物的質(zhì)量比為(15-25)：1；

7.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述金屬鋰材料包括：金屬鋰帶、金屬鋰粉、金屬鋰片中一種或多種的組合；

8.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述氣相聚合法具體為：采用對甲苯磺酸鐵的氧化催化作用使有機碳源在所述復合物的表面聚合形成所述氣凝膠外碳層，具體步驟包括：

9.一種負極極片，其特征在于，所述負極極片包括：上述權利要求1-3任一所述的負極材料，或者包括，上述權利要求4-8任一所述的制備方法制備得到的負極材料。

10.一種鋰離子電池，其特征在于，所述鋰離子電池包括上述權利要求9所述的負極極片。

技術總結(jié)
本發(fā)明實施例涉及一種負極材料及其制備方法以及負極極片與鋰離子電池。負極材料呈三維多孔網(wǎng)絡結(jié)構，由高比表多孔碳、親鋰化合物、金屬鋰和氣凝膠外碳層組成；其中，親鋰化合物和金屬鋰分散在高比表多孔碳的空隙中及表面；通過高比表多孔碳與親鋰化合物相結(jié)合，提供用以金屬鋰沉積的基底，親鋰化合物作為鋰元素成核位點用于誘導鋰均勻沉積，使鋰離子在充放電過程中均勻地在負極材料中進行嵌入和脫出，用以抑制負極材料表面鋰枝晶的形成；氣凝膠外碳層包覆在高比表多孔碳的外部，部分金屬鋰分散在氣凝膠外碳層中，通過氣凝膠外碳層與分散有親鋰化合物和金屬鋰的高比表多孔碳提供由外到內(nèi)的導電網(wǎng)絡，用以提高負極材料的導電性。

技術研發(fā)人員：張宇飛,楊偉,劉柏男,陸浩,羅飛
受保護的技術使用者：溧陽天目先導電池材料科技有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/4/28