[發(fā)明專利]鋰離子電池硅負(fù)極材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210098645.4
• 申請(qǐng)日: 2012-04-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102709563A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-10-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 范曄;吳曉東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類號(hào): H01M4/62
• 分類號(hào): H01M4/62;H01M4/134;H01M4/1395
• 代理公司: 蘇州慧通知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32239
• 代理人: 丁秀華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋰離子電池硅負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

電子電器小型化、高能化、便攜化的趨勢(shì)，空間技術(shù)的發(fā)展和國(guó)防裝備的需求以及電動(dòng)汽車的研制和開(kāi)發(fā)，對(duì)鋰離子電池的性能有更高的要求。而鋰離子電池性能的改善主要取決于嵌鋰電極材料能量密度和循環(huán)壽命的提高，目前鋰離子電池廣泛采用的石墨類碳負(fù)極材料的理論儲(chǔ)鋰容量較低，顯然已不能適應(yīng)發(fā)展的需求，因此開(kāi)發(fā)新型高性能負(fù)極材料已成當(dāng)務(wù)之急。

硅基材料因具有最高的理論嵌鋰容量(4200mAh/g，遠(yuǎn)高于目前其它所有的負(fù)極材料)而越來(lái)越受矚目。但是硅基材料在高程度脫嵌鋰條件下，存在嚴(yán)重的體積效應(yīng)，造成電極的循環(huán)穩(wěn)定性大幅度下降。如何提高硅材料作為鋰離子電池負(fù)極材料的循環(huán)性能是現(xiàn)在的一個(gè)研究重點(diǎn)。針對(duì)硅的體積效率，將硅與具有彈性且性能穩(wěn)定的載體復(fù)合，緩沖硅的體積變化，將是提高硅類材料穩(wěn)定性的有效途徑。雖然碳材料的充放電比容量較低，難以滿足電動(dòng)車及混合電動(dòng)車對(duì)電池高容量化的要求，但碳類材料具有相對(duì)彈性的結(jié)構(gòu)，是良好的鋰離子和電子導(dǎo)體，本身具有一定的嵌鋰容量，其嵌脫鋰體積變化小，循環(huán)穩(wěn)定性好。因此通過(guò)硅、碳間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，制備成復(fù)合性能優(yōu)異的硅碳復(fù)合材料具有一定的實(shí)際意義。目前報(bào)道的制備硅碳復(fù)合材料方法有：氣相沉積、機(jī)械高能球磨法、高溫固相反應(yīng)、溶膠一凝膠法等。氣相沉積法工藝過(guò)程難以控制，難于得到均勻一致的產(chǎn)品，不利于商業(yè)化生產(chǎn)；機(jī)械高能球磨法能量利用較低，耗時(shí)長(zhǎng)，不利于節(jié)能和大規(guī)模制備，而且循環(huán)性能較差。高溫固相反應(yīng)工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，但循環(huán)穩(wěn)定性仍有待改善。目前溶膠一凝膠法所得材料的循環(huán)穩(wěn)定性、電化學(xué)可逆性均不理想。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種能有效延長(zhǎng)硅負(fù)極材料的衰減速度、改善硅負(fù)極材料循環(huán)性能的鋰離子電池硅負(fù)極材料及其制備方法。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：一種鋰離子電池硅負(fù)極材料，其特征在于：其包括納米硅粉以及包覆于所述納米硅粉表面的包覆層，所述納米硅粉的粒徑為0.1nm-10μm，所述包覆層為二氧化硅并且其層厚度為1nm-1μm。

此外，本發(fā)明還提出如下附屬技術(shù)方案：

所述鋰離子電池硅負(fù)極材料中硅的摩爾比為20-55％。

所述包覆層呈海綿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

所述包覆層中具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，所述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)分散于所述海綿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。

所述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為石墨。

另外，本發(fā)明還提出了上述鋰離子電池硅負(fù)極材料的制備方法，其包括以下步驟：

a、提供硅酸鈉溶液；

b、在所述碳酸鈉溶液中加入納米硅粉并充分分散；

c、向步驟b所得的混合溶液中加入石墨導(dǎo)電材料，并加入無(wú)機(jī)酸充分?jǐn)嚢枋怪恋恚灰约?/p>

d、對(duì)步驟c所得到的沉淀物進(jìn)行洗滌后涂抹至銅箔表面，并在150℃下烘干。

此外，上述鋰離子電池硅負(fù)極材料的制備方法，還包括步驟e：將步驟d中所得的電極使用鋰片作為對(duì)電極，有機(jī)電解液為1M?LiPF6的EC/DMC溶液，其中EC與DMC的體積比為1∶1，Celgard為隔膜，做成鈕扣電池。

適宜的，所述硅酸鈉溶液是通過(guò)將碳酸鈉晶體溶解于去離子水中而獲得。

適宜的，所述無(wú)機(jī)酸至少選自稀硫酸和鹽酸中的任意一種。

適宜的，所述步驟a-c中所用各材料配比為：納米硅粉與碳酸鈉晶體的質(zhì)量比為0.1；納米硅粉與石墨粉的質(zhì)量比為4.5；硅酸鈉溶液與無(wú)機(jī)酸的摩爾體積比為1mol/L。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：本發(fā)明利用硅膠多空海綿狀的伸縮特性，以碳酸鈉與無(wú)機(jī)酸為原料制備的硅膠進(jìn)行包覆，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可在納米尺寸范圍內(nèi)控制剪裁，有利于納米硅粉的納米分散，同時(shí)利用硅膠海綿結(jié)構(gòu)為支架結(jié)構(gòu)，這樣不但緩解了硅的體積效應(yīng)，而且延長(zhǎng)了硅材料的衰減速度，改善了硅材料的循環(huán)性能。

附圖說(shuō)明

圖1對(duì)應(yīng)于本發(fā)明較佳實(shí)施例所制得的鋰離子電池硅負(fù)極材料與純硅材料在循環(huán)性能上的對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合較佳實(shí)施例及其附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步非限制性的詳細(xì)說(shuō)明。

一種鋰離子電池硅負(fù)極材料，其包括納米硅粉以及包覆于所述納米硅粉表面的包覆層，所述納米硅粉的粒徑為0.1nm-10μm。

所述包覆層為二氧化硅，其層厚度為1nm-1μm，并且在該鋰離子電池硅負(fù)極材料中硅的摩爾比為20-55％。此外，上述包覆層呈海綿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。所述導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為石墨并分散于所述海綿網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。