[發明專利]一種鋰離子電池用硅碳復合負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201110287831.8
• 申請日: 2011-09-26
• 公開（公告）號: CN102354739A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 李小平;項梁順;郭鋒
• 申請（專利權）人: 浙江南都電源動力股份有限公司;杭州南都電池有限公司;杭州南都能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/133
• 分類號: H01M4/133;H01M4/38;H01M4/1393
• 代理公司: 浙江杭州金通專利事務所有限公司 33100
• 代理人: 劉曉春

技術領域

本發明有關于一種鋰離子電池用硅碳復合負極材料及其制備方法。

背景技術

作為上世紀90年代才發展起來的綠色能源，鋰離子電池相對于傳統的鉛酸、鎳鎘、鎳氫等二次電池具有以下優勢：高可逆容量、長的循環壽命和高能量密度、無記憶效應等。而且，目前常規不可再生能源日益枯竭的困境日益突出的環境下，近十年來鋰離子電池越來越成為世界各國二次能源研究開發的熱點之一。

目前商用的鋰離子電池負極材料采用的主要是石墨類炭材料，但由于其理論容量只有372?mAh/g，阻礙了鋰離子電池比能量的進一步提高，不能滿足日益發展的便攜式移動電源對高比容量的需求，尋找新的負極替代材料已成為鋰離子電池研究的重點之一。

在目前已知的嵌鋰材料中，硅具有最高的理論嵌鋰容量（4200?mAh/g），同時具有很低的嵌脫鋰電位，較其他材料有更高的化學和物理穩定性。但是硅基材料在鋰離子的嵌入/脫插時會發生高達300?%的體積膨脹，進而導致電極材料的粉化剝落，最終嚴重影響其循環性能。

發明內容

本發明的第一個目的在于提供一種鋰離子電池用硅碳復合負極材料，其質量比容量高，電池的體積小，以滿足日益發展的便攜式移動電源對高比容量電池的需求。為此本發明采用以下技術方案：該負極材料由核心材料、摻雜材料和殼體材料構成，用殼體材料包覆核心材料，所述核心材料為人造石墨微粒，所述摻雜材料為熱解硅微粒，所述殼體材料為熱解碳。

在采用上述技術方案的基礎上，本發明還可采用以下進一步的技術方案：

所述核心材料人造石墨微粒在所述負極材料中所占的重量百分比為10%~50%，所述摻雜材料在所述負極材料中所占的重量百分比為10%~50%，所述殼體材料在所述負極材料中所占重量百分比為10%~50%。

所述石墨微粒為高純人造石墨微粒，其純度為99.9%~99.9999%，其顆粒為微米級及亞微米級，粒度在0.1~20?μm之間。

所述熱解硅的前軀體是氣態相的硅基有機物，所述硅基有機物包括硅烷、乙硅烷、乙基硅烷或三乙基硅醇等高含硅量的硅基有機物。

所述熱解碳的前軀體包括甲烷、乙炔、苯類或瀝青等高含碳量的有機物。

本發明的另一個目的在于提供一種鋰離子電池用硅碳復合負極材料的制備方法，以期提高負極材料的質量比容量，進一步減小電池的體積，以滿足日益發展的便攜式移動電源對高比容量電池的需求。為此，本發明采用以下技術方案：它包括以下步驟：

1）、將原料人造石墨微粒均勻分布在熱解反應槽中，反應槽體放置在熱解反應器的反應區；

2）、熱解反應器在惰性氣氛的保護下，以5~50?℃/min的升溫速率升溫至預定的熱解溫度，熱解溫度為500~1000?℃；

3）、關閉惰性氣源，將氣態相熱解硅前軀體按照50~500?ml/min的流量進入熱解反應器，反應30min~5h后，關閉熱解硅前軀體氣源；

4）、將氣態相熱解碳前軀體按照50~500?ml/min的流量進入熱解反應器，反應30min-5h后，關閉熱解碳前軀體氣源，打開惰性保護氣源；

5）、將熱解反應器自然冷卻至室溫后將樣品取出，得到鋰離子電池用硅碳復合負極材料；

所述的原料人造石墨微粒為粒徑為0.1-20μm的顆粒，熱解硅前軀體為氣態相的硅烷、乙硅烷、乙基硅烷或三乙基硅醇中的一種，熱解碳前軀體為甲烷、乙炔、苯類或瀝青中的一種，惰性氣氛為氮氣或氬氣中的一種。

由于采用本發明的技術方案，本發明所提供的鋰離子電池用硅碳復合負極材料在保持硅的高比容量優勢的同時，提高材料的循環穩定性，有利于商業化使用，以提高負極材料的質量比容量，進一步減小電池的體積，滿足日益發展的便攜式移動電源對高比容量電池的需求。

本發明采用的是高溫熱解還原法制備核殼結構的鋰離子電池用硅基復合負極材料，操作工藝簡單，反應容易控制，由于熱解硅和熱解碳前軀體及反應溫度嚴格控制，制備得到硅基復合材料中硅的含量定量控制，在保持硅的高比容量的同時，有效提升了循環性能，大大高于其他方法制得硅基負極材料，具有良好的市場前景。

附圖說明

圖1是本發明采用高溫熱解法制備核殼結構的鋰離子電池用硅基復合負極材料制備工藝步驟示意圖。