[發(fā)明專利]一種將工業(yè)硅粉用作鋰離子電池負(fù)極材料的方法

無效

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• 申請日: 2012-04-12
• 公開（公告）號: CN102623683A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姜訓(xùn)勇;張瑞
• 申請（專利權(quán)）人: 天津理工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/1395
• 代理公司: 天津佳盟知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及鋰離子電池負(fù)極材料，特別是一種將工業(yè)硅粉用作鋰離子電池負(fù)極材料的方法。

【背景技術(shù)】

隨著動力鋰電池的開發(fā)，高容量負(fù)極材料是必不可少的。硅(Si)具有接近4200mAh/g的理論嵌鋰容量，現(xiàn)已成為目前研究的主要負(fù)極材料之一。但是硅的循環(huán)性能較差，這是因為硅基負(fù)極材料的兩個缺點，一個是在充放電過程中伴有較大的體積變化，產(chǎn)生硅粒破裂和粉化現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)與硅粒子之間發(fā)生分離，內(nèi)阻突然增加，容量快速下降；另一方面高純硅是不導(dǎo)電的，所以需要對高純硅進行摻雜或者改性之后才能作為電極材料。

針對以上純硅的兩個缺點，目前主要采用以下方法是對純硅進行改性：1)硅材料納米化。使獲得的電極材料有足夠多的空間緩解硅的體積效應(yīng)。顆粒的細(xì)化增加了硅的比表面積，使得鋰原子更容易嵌入和脫出；納米級硅材料可以緩解體積效應(yīng)，提高循環(huán)性能。但納米材料容易團聚，不能從根本上解決循環(huán)穩(wěn)定性問題。2)硅材料包覆。現(xiàn)在主要是利用碳材料進行包覆，一方面包覆可以提高導(dǎo)電性，另一方面，碳類材料在硅顆粒的表面，可以緩解硅顆粒體積膨脹導(dǎo)致的粉化細(xì)化，使得循環(huán)性能更好；硅包碳Si/C復(fù)合材料較碳材料能夠具有較高的容量和循環(huán)性能，但是硅的含量對材料的性能有很大的影響，一方面當(dāng)硅含量較高時，硅顆粒在脫嵌鋰的過程中有了體積效應(yīng)，結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定；而且在后續(xù)循環(huán)中覆蓋在表面的硅表現(xiàn)出明顯的體積效應(yīng)，使得材料的循環(huán)穩(wěn)定性急劇下降。含少量硅的復(fù)合材料在循環(huán)過程中也未能抑制容量的降低，可能因為表面裸露的硅與石墨結(jié)合力弱，在循環(huán)過程中Si與石墨分離而發(fā)生團聚，所以硅包覆碳復(fù)合材料不能同時提高容量和循環(huán)穩(wěn)定性。3)硅材料的摻雜。目前主要是對硅粉利用機械合金化方法摻入一些合金元素，主要的目的是提高導(dǎo)電性，并且合金元素可以改善硅晶體結(jié)構(gòu)，有效地緩解體積效應(yīng)。

目前對硅的改性基本上是在高純硅粉上進行的，高純硅粉硅含量通常在99.9999％(6N)以上，材料成本高。高純硅材料是指由單一的硅原子所組成，硅原子在三維空間呈規(guī)則排列的多晶硅。在利用高純硅制作電極材料時需要對其進行改性和摻雜來提高電極材料本身的導(dǎo)電性。既然在后續(xù)制作電極中需要對高純硅粉進行摻雜和改性以提高其導(dǎo)電性，降低儲鋰過程中的體積膨脹，那么把硅作為電極材料時不一定需要以高純硅為原料。

工業(yè)硅粉又稱金屬硅粉，是銀灰色或暗灰色粉末，有金屬光澤，其熔點高、耐熱性能好、電阻率高，具有高度抗氧化作用，被稱為“工業(yè)味精”，是很多高科技產(chǎn)業(yè)不可缺少的基本原材料。工業(yè)上，通常是在電爐中由碳還原二氧化硅而制得金屬硅。化學(xué)反應(yīng)方程式為：SiO2+2C→Si+2CO。這樣制得的硅純度為97-98％，其余成分為鐵，鋁，鈣等，也叫金屬硅，粒徑在1um-100um之間，金屬硅分好多種類，是以硅，鐵，鋁，鈣的含量來進行分類的。

目前工業(yè)硅粉主要用于以下幾個方面：

1)工業(yè)硅粉廣泛的應(yīng)用于耐火材料、粉末冶金行業(yè)中，以提高產(chǎn)品的耐高溫，耐磨損和抗氧化性，其產(chǎn)品被廣泛的應(yīng)用于煉鋼爐、窯爐、窯具中；

2)在有機硅化工行業(yè)，工業(yè)硅粉是有機硅高分子合成的基礎(chǔ)原料，如用于生產(chǎn)硅單體、硅油、硅橡膠防腐劑，從而提高產(chǎn)品的耐高溫性、電絕緣性、耐腐蝕性、防腐蝕性、防水等特性；

3)工業(yè)硅粉經(jīng)拉制成單晶硅，加工而成的硅片被廣泛應(yīng)用于高科技領(lǐng)域，是集成電路，電子元件必不可少的原材料；

4)冶金鑄造行業(yè)中，工業(yè)硅粉作為非鐵基合金添加劑、硅鋼合金劑，從而提高鋼淬透性。工業(yè)硅粉也可應(yīng)用于某些金屬的還原劑，用于新型陶瓷合金等。

目前利用工業(yè)硅粉作為鋰離子電池負(fù)極材料的國內(nèi)未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)分析，提供一種將工業(yè)硅粉用作鋰離子電池負(fù)極材料的方法，用作鋰離子電池負(fù)極材料的工業(yè)硅粉具有高容量、性能優(yōu)異、價格低廉的優(yōu)點，可拓展工業(yè)硅粉的使用范圍，滿足人們對高容量小體積電池的需要。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種將工業(yè)硅粉用作鋰離子電池負(fù)極材料的方法，步驟如下：

1)將工業(yè)硅粉、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑和分散劑加去離子水混合；

2)利用磁力攪拌棒攪拌混合均勻，制得糊狀物；

3)將糊狀物均勻涂布在集流體表面，烘干后即做成電極片。

所述工業(yè)硅粉的粒徑為10-100um；導(dǎo)電炭黑的比表面積為10-3000m²/g；粘結(jié)劑為丁苯橡膠(SBR)；分散劑為羥甲基纖維素(CMC)。