锂离子电池阳极活性材料及其制备方法，以及锂离子电池阳极和锂离子电池技术

本发明专利技术提供一种锂离子电池阳极活性材料，包括一由二元或多元金属合金与导电材料形成的复合材料，该二元或多元金属合金的晶格可逆，该二元或多元金属合金为颗粒状，且二元或多元金属合金颗粒的粒径为微米级；该导电材料包覆在所述二元或多元金属合金颗粒的表面，且该二元或多元金属合金颗粒完全被所述导电材料包裹。本发明专利技术还提供所述锂离子电池阳极活性材料的制备方法，应用该锂离子电池阳极活性材料的锂离子电池阳极和锂离子电池。料的锂离子电池阳极和锂离子电池。料的锂离子电池阳极和锂离子电池。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池阳极活性材料及其制备方法，以及锂离子电池阳极和锂离子电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，尤其涉及锂离子电池阳极活性材料及其制备方法，以及包括该锂离子电池阳极活性材料的锂离子电池阳极和锂离子电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池阳极材料的储锂机制可以分为以下三种：锂离子在具有锂空位的材料中的脱出嵌入机制，该机制的循环稳定性好，但是容量较低；以氧化物、氮化物和硫化物为代表的锂可逆氧化还原机制，该机制虽然具有更高的容量，但其工作电位也较高，所以导致电池输出电压降低，另外由于其反应动力学较慢，所以难以满足电子器件的供能需求；以及通过合金反应储存锂离子机制，这种机制具有极高的容量，而且工作电位较低，在保证安全性的同时，提高了电池的能量密度，是柔性电子器件的理想选择。
[0003]在通过合金反应储存锂离子机制的锂离子电池中，通常采用金属单质或者二元或多元合金作为锂离子电池阳极活性材料。然而，金属单质作为锂离子电池阳极活性材料时，随着合金反应的进行会导致活性物质在嵌锂后具有巨大的体积变化，该体积变化会导致活性物质的粉化和脱落，不仅有可能脱离集流体而造成不可逆的容量损失，还会破坏固体电解质界面(SEI)暴露出新鲜的活性物质，加剧电解液的消耗。对此，二元或者多元合金相比于金属单质，具有更大的初始晶格体积，因此，采用二元或多元合金作为锂离子电池阳极活性材料在体积膨胀方面比金属单质具有更大的优势。
[0004]然而，通过合金反应储存锂离子机制中，采用二元或多元合金作为锂离子电池阳极活性材料时仍面临着许多问题。例如，在锂离子循环过程中，随着嵌锂反应的进行，二元或多元合金表面逐渐形成晶须状物质，该晶须状物质会破坏最初在合金表面生长的固体电解质界面(SEI)，该晶须状物质接触新鲜电解液再次产生SEI，这会导致电解液消耗；而且，该晶须状物质在嵌脱锂的过程中可能会破裂或脱落，产生不可逆容量，导致锂离子电池不能达到完全放电的状态(一般只能放电至2.5伏)；而且该晶须状物质还会直接导致体积和面积膨胀率较大。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种可以限制合金表面晶须状物质生长、破裂以及脱落的锂离子电池阳极材料，该锂离子电池阳极材料在循环过程中体积膨胀较小、晶格可逆、而且可以使得锂离子电池阳极在完全嵌锂的状态下循环，发挥出最大容量。
[0006]一种锂离子电池阳极活性材料，包括一由二元或多元金属合金与导电材料形成的复合材料，该二元或多元金属合金的晶格可逆，该二元或多元金属合金为颗粒状，且二元或多元金属合金颗粒的粒径为微米级；该导电材料包覆在所述二元或多元金属合金颗粒的表面，且该二元或多元金属合金颗粒完全被所述导电材料包裹。
[0007]一种锂离子电池阳极活性材料的制备方法，具体包括以下步骤：
[0008]步骤S1，提供初始二元或多元金属合金，对该初始二元或多元金属合金进行球磨处理得到所述二元或多元金属合金，该二元或多元金属合金的晶格可逆，且该二元或多元金属合金为颗粒状，且二元或多元金属合金颗粒的粒径为微米级；以及
[0009]步骤S2，在球磨后的所述二元或多元金属合金表面包覆所述导电材料，该二元或多元金属合金完全被所述导电材料包裹。
[0010]一锂离子电池阳极，该锂离子电池阳极包括所述锂离子电池阳极活性材料。
[0011]一锂离子电池，该锂离子电池包括一外部封装结构，一阳极，一阴极，一电解液以及一隔膜，该外部封装结构将阳极、阴极、电解液以及隔膜封装在内部，该阳极为所述锂离子电池阳极活性材料。
[0012]本专利技术提供的锂离子电池阳极活性材料通过在二元或多元金属合金颗粒的表面包覆一导电材料，该导电材料将该二元或多元金属合金颗粒完全包裹，限制晶须状物质的生长、破裂和脱落，避免不可逆容量的产生以及电解液的消耗，提高锂离子电池的循环稳定性。而且，通过限制该晶须状物质的生长还能限制阳极的体积和面积膨胀，降低体积膨胀率和面积膨胀率。另外，本专利技术的锂离子电池阳极材料中的二元或多元合金在循环过程中晶格完全可逆，从而极大地提高了阳极的可逆容量和循环稳定性，而且可以使得锂离子电池阳极在完全嵌锂的状态下循环，发挥出最大容量。
附图说明
[0013]图1为本专利技术实施例提供的锑化铟(InSb)合金的电子扫描显微镜照片。
[0014]图2为本专利技术实施例提供的InSb合金在锂离子电池充放电过程中晶体结构的变化示意图。
[0015]图3为本专利技术实施例提供的InSb合金表面包覆碳层前后的Xrd谱线对比图。
[0016]图4为InSb合金包覆碳层之后形成的复合材料bInSb@C的扫描电子显微镜照片。
[0017]图5为InSb合金包覆碳层之后形成的复合材料bInSb@C的透射电子显微镜照片。
[0018]图6为本专利技术实施例提供的球磨后的InSb与蔗糖不同质量比的性能对比问。
[0019]图7为本专利技术实施例提供的锂离子电池阳极的结构示意图。
[0020]图8为本专利技术实施例提供的锂离子电池阳极的制备方法的流程图。
[0021]图9为本专利技术实施例提供的将pInSb@CNT，bInSb@CNT以及bInSb@C@CNT三种电极分别组装成扣式半电池后的循环性能图。
[0022]图10为图9中的扣式半电池在循环过程中bInSb和bInSb@C的电子显微镜照片。
[0023]图11为图9中三种扣式半电池的初始阻抗谱以及在0.2C的倍率下分别循环1次和100次后的阻抗谱。
[0024]图12为图9中三种扣式半电池在循环过程中的电子显微镜照片。
[0025]图13为图9中三种扣式半电池的GITT测试结果图。
[0026]图14为图9中三种扣式半电池的倍率特性图。
[0027]图15为图9中三种扣式半电池在1C电流密度下的长循环性能曲线。
[0028]图16为图9中的bInSb@C@CNT组装的扣式半电池在3C电流密度下的长循环性能曲线。
[0029]图17为本专利技术实施例提供的柔性全电池的结构示意图。
[0030]图18为图17中柔性全电池在0.2C电流密度下的循环性能曲线。
[0031]图19为图17中柔性全电池在三种弯折角度下初始循环的电压
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容量曲线。
[0032]图20为图17中柔性全电池在三种弯折条件下的初始面积比容量和循环第100圈的面积比容量。
[0033]主要元件符号说明
[0034]锂离子电池阳极
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10
[0035]锂离子电池阳极活性材料
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[0036]集流体
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104
[0037]锂离子电池
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[0038]外部封装结构
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池阳极活性材料，包括一由二元或多元金属合金与导电材料形成的复合材料，该二元或多元金属合金的晶格可逆，且该二元或多元金属合金为颗粒状，且二元或多元金属合金颗粒的粒径为微米级；该导电材料包覆在所述二元或多元金属合金颗粒的表面，且该二元或多元金属合金颗粒完全被所述导电材料包裹。2.如权利要求1中所述的锂离子电池阳极活性材料，其特征在于，所述二元或多元金属合金由金属Zn、Al、Ga、In、Ge、Sn、Sb、Bi、Ag、Au、Mg、Ca中的至少两种金属元素组成。3.如权利要求1中所述的锂离子电池阳极活性材料，其特征在于，所述二元或多元金属合金为具有锂离子脱嵌可逆性质的晶体结构。4.如权利要求3中所述的锂离子电池阳极活性材料，其特征在于，所述二元或多元金属合金为锑化铟(InSb)合金，且该InSb合金具有闪锌矿的晶体结构。5.如权利要求1中所述的锂离子电池阳极活性材料，其特征在于，所述二元或多元金属合金颗粒的粒径大于等于1微米小于等于10微米。6.如权利要求1中所述的锂离子电池阳极活性材料，其特征在于，所述导电材料为碳材料或导电聚合物。7.一种如权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：方振翰，王佳平，范守善，
申请(专利权)人：鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：