[發明專利]一種鋰離子電池負極用硅基復合材料的制備方法

無效

• 申請號: 200810036509.6
• 申請日: 2008-04-23
• 公開（公告）號: CN101265571A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: 喬文明;劉鴻鵬;張睿;詹亮;梁曉懌;龍東輝;凌立成
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: C23C16/24
• 分類號: C23C16/24;H01M4/04
• 代理公司: 上海順華專利代理有限責任公司
• 代理人: 談順法

技術領域：

本發明涉及一種鋰離子電池負極材料的制備方法，更具體的說是涉及一種高比容量鋰離子電池負極用硅基復合材料的制備方法。

背景技術：

鋰離子電池的研究最早始于20世紀60～70年代的石油危機，并于90年代實現了商品化生，由于其具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、自放電小、無記憶效應等優點，目前已經成為移動電子設備的首選電源，并滲透到航空航天、軍事等尖端領域。隨著人口不斷增加，資源不斷枯竭，人們對資源短缺問題的了解日益加深，對鋰離子電池的需求也日益強烈。

由于各種便攜式移動電子設備和電動汽車的廣泛應用和快速發展，開發更高比容量和功率特性的電極材料極具迫切性。炭基負極材料受本身較低的理論嵌鋰容量的限制(372mAh/g)已遠遠不能滿足應用要求。在目前已知的嵌鋰材料中，硅具有最高的理論嵌鋰容量(4200mAh/g)，同時具有很低的嵌脫鋰電位，較其他材料具有更高的化學和物理穩定性。但是，硅基負極材料在脫嵌鋰過程中存在巨大的體積變化，容易造成硅顆粒的粉化，降低顆粒之間的接觸，從而導致電極材料的循環性能急劇下降。

為克服硅的體積效應，人們普遍采用納米結構的硅基復合材料來提高硅負極材料的循環性能。采用納米尺度的硅作為活性材料制備的復合電極體系，經過10個循環以后，容量仍保持了其初始儲鋰容量的50％，達1750mAh/g以上[Electrochemical?and?Solid-state?Letters.1999，2：547-549]。Yang等采用高溫裂解法，制備了嵌入式的Si/C復合材料，裂解碳既可以吸收硅體積變化引起的應力，又可以防止納米硅的團聚，而且本身可以提供一定的儲鋰容量，從而提高了材料的循環穩定性[Electrochemical?and?solid-state?letters，2000，3(11)：493-496.Electrochemical?and?Solid-State?Letters，2003，6(8)：A154-A156.Electrochemistry?Communication.2003，5：165-168.]。以上經過改性復合后的硅基負極材料雖然使其電化學性能得到一定的改善，但其循環性能依然不很理想。

發明內容：

針對技術的缺陷，本發明提供一種鋰離子電池硅基復合材料的制備方法，采用高溫熱氣相沉積方法，以硅或改性硅粉末為原料，制備不同的硅含量的硅炭復合材料。該方法制備工藝簡單，制備出的復合材料顆粒均勻，作為鋰離子電池負極材料比容量高，循環性能穩定。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種鋰離子電池硅基復合材料的制備方法，其特征在于，所述方法步驟如下：

1.以原料硅粉為活性材料均勻分布在沉積反應槽中，反應槽體放置在氣相沉積反應器的沉積區；

2.反應器在惰性氣氛的保護下，以5-30℃/min的升溫速率升溫至預定的沉積溫度，沉積溫度為600-1000℃；

3.將熱解炭前驅體恒溫在30～70℃，與惰性氣體在氣體混合器中混合，打開氣體混合器，熱解炭前驅體隨惰性氣體按照50-500ml/min的流量進入熱氣相沉積反應器，沉積1-10小時后，關閉氣體混合器；

4.將反應器自然冷卻至室溫后將樣品取出，得到鋰離子電池硅基復合材料；其中，所述的原料硅粉為粒徑為20nm-50μm的顆粒，熱解炭前軀體可以為苯，甲苯，萘，瀝青，石蠟油，甲烷，乙炔中的一種，惰性氣氛可以為氮氣或氬氣。

也可以將原料硅粉采用化學沉淀或者高能球磨方法進行摻雜改性，將摻雜改性后的硅材料粉末代替原料硅粉作為活性材料進行熱沉積；所說的摻雜改性后的硅材料粉末為Si-M合金或其復合物，M為Ni，Co，Cu，Ag，Mn，Sn，Pb中的一種或其化合物。

有益效果

本發明采用的是高溫熱氣相沉積法制備鋰離子電池硅基復合材料，反應容易控制，操作工藝簡單，由于熱解炭前驅體及沉積溫度嚴格控制，制備得到硅基復合物中Si的含量定量控制，其比容量大大高于目前鋰離子電池普遍使用的炭類負極材料，其循環性能也遠遠高于其他方法制得硅基負極材料，有很好的市場前景。

附圖說明：

圖1為本發明高溫熱氣相沉積制備的硅炭復合材料的XRD圖，沉積溫度為800℃，硅含量為31％；

圖2為本發明高溫熱氣相沉積制備的硅炭復合材料的充放電曲線，沉積溫度為800℃，硅含量為31％；

圖3為本發明的工藝流程示意圖；其中，1-惰性氣體，2-氣體混合器，3-電加熱爐，4-反應器，5-控溫儀，6-出氣口。

具體實施方式