[發(fā)明專利]一種鋰離子電池用高能硅碳復(fù)合負(fù)極材料及其制造工藝

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910027938.1
• 申請(qǐng)日: 2009-05-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101710617A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-05-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 耿世達(dá)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連麗昌新材料有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/04
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 汪旭東

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池用負(fù)極材料的制造工藝，尤其是鋰離子電池用高能硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制造工藝。

背景技術(shù)

二次電池是自上個(gè)世紀(jì)九十年代以來(lái)繼鎳氫電池之后的新一代電池以鋰離子電池為代表，因其具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，成為目前高檔電子消費(fèi)品首選的化學(xué)電源，并已經(jīng)滲透到航空航天、軍事等尖端技術(shù)領(lǐng)域。伴隨著其與日俱增的需求，二次電池正成為新世紀(jì)科學(xué)技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

目前商業(yè)化應(yīng)用中最多的是石墨類負(fù)極材料，但其理論比容量只有372mAh/g，限制了鋰離子電池容量的進(jìn)一步提高。目前學(xué)術(shù)界對(duì)一些新型負(fù)極材料如Al、Sn、Sb、Si及其合金材料研究非常活躍，因其具有遠(yuǎn)比石墨高的比容量，如單晶硅比容量可以高達(dá)4200mAh/g。但該類負(fù)極材料高的體積效應(yīng)造成了較差的循環(huán)穩(wěn)定性，影響了其商業(yè)化進(jìn)程。因此如何使這些材料可以實(shí)用化是當(dāng)今鋰離子電池研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

目前，研究人員采用了各種硅的復(fù)合材料，如Si-Ni合金、Ti-Si合金等材料，單獨(dú)或者與石墨進(jìn)行復(fù)合制作硅碳材料，在循環(huán)性能上得到了一定的改善但依然不夠理想。除采用硅復(fù)合材料以外，還有研究人員采用了硅納米線(直徑15nm、長(zhǎng)度幾百納米)制作負(fù)極材料，雖然顯著提高了其容量及循環(huán)性能，但是制作成本高昂，大規(guī)模商用困難。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供鋰離子電池用高能硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制造工藝。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明給出了鋰離子電池用高能硅碳復(fù)合負(fù)極材料技術(shù)方案，該鋰離子電池用高能硅碳復(fù)合負(fù)極材料由核心材料和殼體材料構(gòu)成，用殼體材料包覆核心材料，所述核心材料為硅粉或硅粉與石墨粉混合物，所述殼體材料為熱解碳。

在上述技術(shù)方案中，所述核心材料硅粉的重量百分比為10％～60％，所述殼體材料的熱解碳重量百分比為40％～90％。所述硅粉為單晶硅粉或多晶硅粉，純度為99％～99.999999％，其顆粒為微米級(jí)及亞微米級(jí)，粒度在0.1-25μm之間。所述熱解碳是以納米級(jí)中間相瀝青為前驅(qū)體材料制得。形成熱解碳?xì)んw結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體材料納米級(jí)中間相瀝青，是將中間相瀝青浸入納米研磨機(jī)進(jìn)行濕式研磨2-3小時(shí)得到，研磨后中間相瀝青的粒度為30nm至50nm。

在上述技術(shù)方案中，所述核心材料硅粉的重量百分比為5％～50％，所述核心材料石墨粉的重量百分比為35％～90％，所述殼體材料的熱解碳重量百分比為5％～15％。所述硅粉為單晶硅粉或多晶硅粉，純度為99％～99.999999％，其顆粒為微米級(jí)及亞微米級(jí)，粒度在0.1-25μm之間。所述石墨粉為高純度石墨粉，其純度為99.9％-99.99999999％，粒度在5-40μm之間。所述熱解碳是以納米級(jí)中間相瀝青為前驅(qū)體材料制得。形成熱解碳?xì)んw結(jié)構(gòu)的前驅(qū)體材料納米級(jí)中間相瀝青，是將中間相瀝青浸入納米研磨機(jī)進(jìn)行濕式研磨2-3小時(shí)得到，研磨后中間相瀝青的粒度為30nm至50nm。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還給出了鋰離子電池用高能硅碳負(fù)極材料的制造工藝。

本發(fā)明給出的用硅粉直接包覆熱解碳形成鋰離子電池負(fù)極材料的制造工藝步驟條件如下：

(1)將10％～60％硅粉放入到加入惰性氣體保護(hù)的高溫反應(yīng)釜中，高溫反應(yīng)釜升溫速率為每1小時(shí)升溫100℃、加溫時(shí)間為3-5小時(shí)、使高溫反應(yīng)釜內(nèi)的溫度為300℃-500℃，高溫反應(yīng)釜攪拌速度為60-300轉(zhuǎn)/分鐘，在高溫反應(yīng)釜中完全干燥并燒掉一些污染物；

(2)使高溫反應(yīng)釜降溫至200℃-300℃，該高溫反應(yīng)釜內(nèi)溫度接近但不超過(guò)納米級(jí)中間相瀝青的軟化點(diǎn)；

(3)將用于包覆層的40％-90％納米級(jí)中間相瀝青輸入到熱管中加溫3-10秒鐘，使經(jīng)過(guò)熱管的納米級(jí)中間相瀝青溫度為200℃-350℃，該溫度略高于納米級(jí)中間相瀝青的軟化點(diǎn)，從而得到納米級(jí)半液體中間相瀝青；

(4)將經(jīng)過(guò)熱管加溫得到的半液體納米級(jí)中間相瀝青送至納米噴嘴，經(jīng)納米噴嘴高速噴出的納米級(jí)中間相瀝青霧滴進(jìn)入到所述的高溫反應(yīng)釜中，高溫反應(yīng)釜的攪拌速度為60-300轉(zhuǎn)/分鐘，在高溫反應(yīng)釜中，納米級(jí)中間相瀝青霧滴混合包覆硅粉2-3小時(shí)，此過(guò)程高溫反應(yīng)釜內(nèi)溫度為200℃-300℃，該溫度接近但不超過(guò)納米級(jí)中間相瀝青的軟化點(diǎn)，高溫反應(yīng)釜內(nèi)的壓力為10^-5-10^-3Pa；