锂电池用电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术揭示了一种锂电池用电极材料及其制备方法，其中该电极材料包括由多根碳纳米管纤维构成的多孔结构体和附着在所述碳纳米管纤维上的颗粒聚集体，所述颗粒聚集体包括多个碳颗粒，其中，所述多孔结构体中填充有金属锂以及所述颗粒聚集体中的至少部分上附着有金属锂。通过结合多根碳纳米管纤维构成的多孔结构体和附着在其上的颗粒聚集体，可以金属锂更均匀地分在多个的孔状结构中，在锂电池的充放电过程中，有助于维持金属锂的形貌特性，抑制锂枝晶的生成，从而提高锂电池的安全性，并提供较高的比热容和较好的循环性能。

【技术实现步骤摘要】
锂电池用电极材料及其制备方法
本专利技术属于能源电池
，具体涉及一种锂电池用电极材料及其制备方法。
技术介绍
目前主要的储能装置包括化学电源储能、机械储能。相比于机械储能对环境的较高要求，化学储能比如锂离子电池、铅酸电池、液流电池等因其具有较高的能量密度和功率密度，以及易携带性，被广泛应用在消费电子和电动汽车领域。金属锂具有最低的还原电位(-3.04V对标准氢电极)，最高的比容量3860mAh/g，因此采用金属锂作负极，电池将具有高能量密度优势。金属锂作负极是一个非嵌入式结构，储存金属锂就是一个电化学沉积的过程。金属锂表面化学成分的不均匀，会影响到锂的不均匀沉积，锂离子电导率高的地方金属锂沉积最多，电导率低的地方沉积少，金属锂沉积过程是金属锂从有到无的过程，和石墨等碳材料相比，其体积变化很大，容易导致负极表面的SEI层破裂，形成锂枝晶。此外，在大电流下，枝晶还会与电池内部电场相互作用，加速其生长。锂枝晶的生长会与电解液发生反应，造成电解液的消耗，从而降低电池的循环寿命，同时锂枝晶的生长有可能刺穿隔膜造成正负极相接发生内部短路而释放热量，造成电解液的消耗分解，甚至导致电池的燃烧和爆炸。
技术实现思路
本专利技术一实施例提供一种锂电池用电极材料，其可以有效抑制锂枝晶的生长，该锂电池用电极材料包括：由多根碳纳米管纤维构成的多孔结构体和附着在所述碳纳米管纤维上的颗粒聚集体，所述颗粒聚集体包括多个碳颗粒，其中，所述多孔结构体中填充有金属锂以及所述颗粒聚集体中的至少部分上附着有金属锂。一实施例中，所述颗粒聚集体由多个碳颗粒聚集而成，所述聚集体中的多个碳颗粒之间具有10～200nm的间隙。一实施例中，所述碳颗粒的平均粒径为10nm～1000nm；优选为20nm～300nm；更优选为50nm～100nm。一实施例中，所述金属锂在所述电极材料中的担载量为40～80wt.％。一实施例中，还包括位于所述电极材料表面的钝化层。本专利技术一实施例还提供一种锂电池用电极材料的制备方法，该方法包括：在接收板上沉积包括多根碳纳米管纤维的多孔结构体过程中，将碳颗粒以喷雾的形式施加到所述接收板上以使碳颗粒在所述碳纳米管纤维上聚集成颗粒聚集体，进而得到材料中间体；在所述材料中间体上沉积锂金属，以使锂金属填充在所述多孔结构体中以及附着在所述颗粒聚集体上。一实施例中，还包括：将所述电极材料浸没于钝化剂中，并至少使得钝化剂与金属锂表面反应，从而在金属锂表面形成钝化层。一实施例中，所述钝化剂包括硫，含-SH、-OH、-COOH中的至少一种基团的物质，氢氧化物，碳酸盐中的任意一种或两种以上的组合。一实施例中，所述包括多根碳纳米管纤维的多孔结构体由浮动催化裂解法制得。一实施例中，具体包括：将反应炉升温至1100℃～1600℃，并向其中通入载气；将液相碳源气化后，利用载气带入所述反应炉的高温区中，生成具有多根碳纳米管纤维的聚集体；将所述聚集体沉积在接收板上，得到包括多根碳纳米管纤维的多孔结构体。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益效果：通过结合多根碳纳米管纤维构成的多孔结构体和附着在其上的颗粒聚集体，可以金属锂更均匀地分在在多个的孔状结构中，在锂电池的充放电过程中，有助于维持金属锂的形貌特性，抑制锂枝晶的生成，从而提高锂电池的安全性，并提供较高的比热容和较好的循环性能。附图说明图1是本申请实施例1～6中的以所得电极材料为负极、磷酸铁锂为正极组装扣式电池的循环性能测试图。具体实施方式以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。本专利技术一实施例提供一种锂电池用电极材料，包括由多根碳纳米管纤维构成的多孔结构体和附着在所述碳纳米管纤维上的颗粒聚集体，所述颗粒聚集体包括多个碳颗粒，其中，所述多孔结构体中填充有金属锂以及所述颗粒聚集体中的至少部分上附着有金属锂。所述的由多根碳纳米管纤维构成的多孔结构体可以呈现为具有设定厚度的碳纳米管层或自支撑的碳纳米管膜。优选地，多根碳纳米管纤维呈无序交织状，例如无序交织形成的三维平板状结构。多孔结构体可以是例如通过压实的方法被制作为具有设定的孔隙率的结构材料。一实施例中，所述颗粒聚集体由多个碳颗粒聚集而成，所述聚集体中的多个碳颗粒之间具有10～200nm的间隙。一实施例中，所述碳颗粒的平均粒径为10nm～1000nm；优选为20nm～300nm；更优选为50nm～100nm。一实施例中，所述金属锂在所述电极材料中的担载量为40～80wt.％。一实施例中，还包括位于所述电极材料表面的钝化层。本专利技术一实施例还提供一种锂电池用电极材料的制备方法，该方法包括：在接收板上沉积包括多根碳纳米管纤维的多孔结构体过程中，将碳颗粒以喷雾的形式施加到所述接收板上以使碳颗粒在所述碳纳米管纤维上聚集成颗粒聚集体，进而得到材料中间体；在所述材料中间体上沉积锂金属，以使锂金属填充在所述多孔结构体中以及附着在所述颗粒聚集体上。一实施例中，还包括：将所述电极材料浸没于钝化剂中，并至少使得钝化剂与金属锂表面反应，从而在金属锂表面形成钝化层。所述钝化剂包括硫，含-SH、-OH、-COOH中的至少一种基团的物质，氢氧化物，碳酸盐中的任意一种或两种以上的组合。一实施例中，所述包括多根碳纳米管纤维的多孔结构体由浮动催化裂解法制得。一实施例中，具体包括：S1、将反应炉升温至1100℃～1600℃，并向其中通入载气。S2、将液相碳源气化后，利用载气带入所述反应炉的高温区中，生成具有多根碳纳米管纤维的聚集体。其中，所述液相碳源可以为乙醇、二茂铁、噻吩的混合溶液等。例如，乙醇的质量百分比为90～99.9％，二茂铁的质量百分比为0.1～5％、噻吩的质量百分比为0.1～5％。其中，所述载气为氢气和氮气或者氢气和惰性气体的混合气体，例如，氢气的体积百分比可以为1～100％，惰性气体为氩气或氦气，载气气体流量为1～15L/min。S3、将所述聚集体沉积在接收板上，得到包括多根碳纳米管纤维的多孔结构体。配合参照图1，在下文中，以下实施例意在描述本专利技术而不限制其范围。实施例11)依靠碳纳米管之间的范德华力作用，将从高温炉中生长的筒状中空碳纳米管聚集体(参考《science》，2004年，304期，p276)，在空气的浮力作用下，不断地缠绕在圆柱形卧式滚筒上(滚筒即相当于接收板)，滚筒在自转的同时，可延轴向往复移动，移动距离为滚筒的长度。2)在滚筒收集碳纳米管聚集体的同时，通过静电喷雾将平均粒径39nm的碳纳米管微球颗粒施加到滚筒上，碳纳米管微球颗粒附着在此时收集中的碳纳米管纤维上并发生聚集，形成颗粒聚集体，累计连续收集一定时间后，得到材料中间体，其厚度约0.5mm。3)通过PVD的方式在材料中间体上沉积锂金属，以使锂金属填充在多孔结构体中以及附着在所述颗粒聚集体上。4)将电极材料浸没于含硫的溶液中4h，清洗后得到硫钝化处理后的锂电池用电极材料。其中，得到的电极材料中锂金属的负载量为53％。将得到的电极材料为负极、以磷酸铁锂为正极组装扣式电池，电池循环300次后的容量保持率为86％。实施例21)依靠碳纳米管之间的范德华力作用，将从高温炉中生长的筒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂电池用电极材料，其特征在于，包括由多根碳纳米管纤维构成的多孔结构体和附着在所述碳纳米管纤维上的颗粒聚集体，所述颗粒聚集体包括多个碳颗粒，其中，所述多孔结构体中填充有金属锂以及所述颗粒聚集体中的至少部分上附着有金属锂。

【技术特征摘要】
1.一种锂电池用电极材料，其特征在于，包括由多根碳纳米管纤维构成的多孔结构体和附着在所述碳纳米管纤维上的颗粒聚集体，所述颗粒聚集体包括多个碳颗粒，其中，所述多孔结构体中填充有金属锂以及所述颗粒聚集体中的至少部分上附着有金属锂。2.根据权利要求1所述的锂电池用电极材料，其特征在于，所述颗粒聚集体由多个碳颗粒聚集而成，所述聚集体中的多个碳颗粒之间具有10～200nm的间隙。3.根据权利要求2所述的锂电池用电极材料，其特征在于，所述碳颗粒的平均粒径为10nm～1000nm；优选为20nm～300nm；更优选为50nm～100nm。4.根据权利要求1所述的锂电池用电极材料，其特征在于，所述金属锂在所述电极材料中的担载量为40～80wt.％。5.根据权利要求1所述的锂电池用电极材料，其特征在于，还包括位于所述电极材料表面的钝化层。6.一种锂电池用电极材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：在接收板上沉积包括多根碳纳米管纤维的多孔结构体过程中，将碳颗粒以喷雾...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈瀚林，陈世忠，
申请(专利权)人：苏州氟特电池材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32