阴极材料、制备方法以及锂离子电池技术

本申请公开了阴极材料、制备方法以及锂离子电池。该阴极材料包括具有石墨相的碳颗粒；其中，碳颗粒含有官能团形式的氧，氧含量以8.5wt％至13.0wt％的质量分数从碳颗粒最外表面到15nm深度的表面区域和6.0wt％至12.0wt％的剩余内部区域分层分布，表面区域的氧含量大于内部区域的氧含量。本申请通过在不同区域实施不同含量的官能团氧分布，获得更大的层间空间、更小的晶体尺寸，以获得更高的容量和更好的倍率性能。的倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
阴极材料、制备方法以及锂离子电池


[0001]本申请涉及胺基咪唑羧酸酯的
，尤其涉及阴极材料、制备方法以及锂离子电池。

技术介绍

[0002]锂离子(Li
‑
ion)电池已广泛应用于便携式电子设备，并被广泛用于混合动力汽车(HVs)、插电式混合动力汽车(PHV)、电动汽车(EV)和智能能源管理系统的固定电源应用。在大规模应用中采用该技术的最大挑战是电流电极材料的能量密度、功率密度、成本、安全性和循环寿命。能量密度以及阴极和阳极的容量是储能系统中最重要的因素。最先进的便携式电子设备，如具有四核处理器、4G内存、2000万像素摄像头和4G无线通信能力的智能手机，但电池只能使用一天。电动汽车也是如此；大多数汽车在一次充电后可以有一个有限的诅咒范围。另一方面，充电时间和功率密度是电池的另一个重要特性，尤其是当锂离子电池的应用目标从小型移动设备转移到交通工具时。这是因为电动汽车(EV)用户几乎不需要等待超过半小时为其车辆充电，而汽油车的加油时间不到5分钟。充电速度在很大程度上取决于阴极材料的锂化速率能力。
[0003]目前，石墨因其成本低、循环寿命长、易于加工而成为最受欢迎和最实用的锂离子电池负极材料。然而，相对较小的容量(<372mah/g)和较差的速率性能限制了其在高能和大功率储能系统中的应用。CN103708437和美国专利。8691442使用的是非晶态碳基材料，如软碳和硬碳，通常比石墨具有更大的层间空间，提供比石墨更快的锂输入速率。然而，软碳通常比石墨具有更小的容量(约250mAh/g)，并且在充电和放电时具有更高的平均电位；它很难用于高能量密度的锂离子电池。硬碳的容量约为400mAh/g，但其密度低、库仑效率低、成本高，因此难以以足够低的成本用于电动汽车和插电式混合动力汽车(PHV)的电池。WO2013/142287、US2012/0129054、WO2008/139157、US2010/0190061、WO2014/083135、CN101914703和美国专利中提出的其他高容量阴极材料。第7687201号，使用能够与锂形成合金的硅或锡。然而，由于锂合金化的低动力学和锂离子通过厚固体电解质界面(SEI)的可接近性，这种元素具有更差的锂化速率能力。有一些尝试，如JP2014
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130821A、JP2001
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302225A和JPH10
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188958A，其中添加了一些额外的元素，如硼，以增加碳材料的容量。
[0004]然而，没有提供具有快速充电能力和高容量以及长循环能力的阴极材料的现有技术。综上所述，目前还没有一种阴极材料能够同时满足锂离子电池的高容量、快速充电能力和良好的循环性能。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本申请提供阴极材料、制备方法以及锂离子电池，具有更高的容量和更好的倍率性能。
[0006]<碳颗粒>
[0007]本技术方案的阴极材料，包括具有石墨相的碳颗粒；
[0008]其中，所述碳颗粒含有官能团形式的氧，氧含量以8.5wt％至13.0wt％的质量分数从碳颗粒最外表面到15nm深度的表面区域和6.0wt％至12.0wt％的剩余内部区域分层分布，表面区域的氧含量大于内部区域的氧含量。
[0009]本申请通过更大的层间空间、更小的晶体尺寸、分层的氧和功能分布，以及替代储锂机制来提高阴极材料的容量和倍率性能，以获得更高的容量和更好的倍率性能。
[0010]通常，石墨具有石墨烯a
‑
B堆叠结构，层间空间d
002
为0.335nm，每六个碳原子(LiC6)可储存一个锂离子。也就是说，这就是石墨的理论容量为372mah/g的原因。我们的策略是在石墨层间添加一些含氧官能团或异质性原子：一方面，这些官能团或异质性原子会扩大层间空间，使锂离子更容易插入；另一方面，在充放电过程中，官能团、异质原子和层间缺陷将与锂离子发生可逆反应，从而比未经处理的石墨材料具有更大的容量。最后，我们已经成功地通过从石墨表面到石墨核心以官能团的形式引入分层分布的氧来提供优良的阴极材料。此外，这种含氧碳材料可涂覆多孔石墨烯以获得更好的导电性，用作锂离子电池的高容量、快速充电阴极材料。
[0011]也就是说，本专利技术的阴极材料包括含氧碳颗粒，其中氧以官能团的形式存在。碳颗粒的氧含量沿深度方向呈分层分布。在从碳颗粒最外表面到15nm深度的表面区域(以下称为“表面”)中，含量在8.5wt％到13wt％的范围内，并且在碳颗粒剩余内部区域(以下称为“核心部分”)中，含量在6.0wt％到12.0wt％的范围内。也就是说，表面的氧含量高于核心部分的氧含量。官能团的示例包括O
‑
C
═
O、C
‑
O和C
═
O小组。然而，O
‑
C
═
O
‑
基团在剩余内部区域的O含量低于表面区域的O含量，优选小于1wt％且更优选小于0.3wt％。
[0012]含氧官能团优选仅附着于构成碳颗粒中石墨烯的芳香族骨架的边缘。附着在芳香族骨架平面内的官能团的含量优选小于所有官能团的1mol％。芳香族骨架平面内的官能团称为平面内官能团。面内官能团的增加会破坏石墨相的晶体结构，使插层能力降低。
[0013]由于含氧，层间空间比未经处理的石墨大。层间空间d
002
可以大于0.3357nm。d
002
的上限优选为0.40nm或更小。层间距大于0.40nm的碳材料具有较低的真密度。
[0014]由于材料的低电子导电性，含氧碳颗粒的可逆容量可能比天然石墨低得多。然而，在本专利技术中，多孔石墨烯可以通过覆盖含氧碳颗粒的表面来增加碳颗粒之间的电子导电性。石墨烯可以是单层或几层石墨烯，并且优选包括至少一个单层石墨烯。石墨烯覆盖在碳颗粒上的厚度可以在1nm到50nm之间。石墨烯上的孔有助于锂离子的插层，因为锂离子可以穿透多孔石墨烯插层到碳颗粒上。孔的数量可以在每μm2 5到500个孔的范围内。孔隙的大小可在5nm至500nm的范围内。
[0015]锂离子可以在石墨烯层间以最大LiC6(372mah/g)的分段现象存储。相反，本专利技术中提出的阴极材料显示出较低的插层密度，例如LiC
x
(x≥18)而不是LiC
x
(6≤x≤12).低插层密度有利于快速充放电。除了插层之外，额外的容量来自锂与含氧官能团的可逆反应。
[0016]阴极材料可以掺杂硼以获得更大的容量。硼原子或含硼官能团可提供与锂离子可逆反应的场所，作为锂离子插层之外的额外容量。因此，硼掺杂可以提高阴极材料的容量。
[0017]关于掺杂硼的量，优选硼的重量百分比大于0.5wt％，更优选大于1.5wt％，最优选大于2.5wt％。
[0018]硼原子的状态可以是外来原子，或含硼官能团，如C
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B本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种阴极材料，其特征在于，包括具有石墨相的碳颗粒；其中，所述碳颗粒含有官能团形式的氧，氧含量以8.5wt％至13.0wt％的质量分数从碳颗粒最外表面到15nm深度的表面区域和6.0wt％至12.0wt％的剩余内部区域分层分布，表面区域的氧含量大于内部区域的氧含量。2.根据权利要求1所述阴极材料，其特征在于，所述官能团形式的氧附着于构成构成碳颗粒中石墨烯的芳香族骨架的边缘。3.根据权利要求2所述阴极材料，其特征在于，附着在芳香族骨架平面内的官能团的含量优选小于所有官能团的1mol％。4.根据权利要求1所述阴极材料，其特征在于，所述官能团包括O
‑
C
═
O
‑
、O
‑
C和C
═
O基团；其中，所述O
‑
C
═
O
‑
基团在剩余内部区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，
申请(专利权)人：智新控制系统有限公司，
类型：发明
国别省市：