[發明專利]一種鋰離子電池負極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201210343140.X
• 申請日: 2012-09-14
• 公開（公告）號: CN102903894A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 趙東輝;戴濤;周鵬偉
• 申請（專利權）人: 東莞市翔豐華電池材料有限公司
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38
• 代理公司: 深圳市精英專利事務所 44242
• 代理人: 李新林

技術領域

本發明屬于電池制造技術領域，尤其涉及一種鋰離子電池負極材料及其制備方法。

背景技術

隨著各種便攜式電子設備及電動汽車的廣泛應用和快速發展，人們對各類電產品電源的需求和性能要求也越來越高，鋰離子二次電池以其高功率特性等優越的綜合性能在近十年來成功并廣泛應用于移動電子終端設備領域。

鋰離子電池性能的改善主要取決于嵌脫鋰電極材料的性能。目前，商用鋰離子電池廣泛采用中間相碳微球和改性石墨作為負極材料，但存在理論儲鋰容量較低(石墨為372mAh/g)，易發生有機溶劑共嵌入等缺點，因此高容量鋰離子電池負極材料的研究與應用已成為提高電池性能的關鍵。在已知的儲鋰材料中，硅具有最高的理論容量（不包括嵌入鋰的質量時，約為4200mAh/g）和較為適中的嵌脫鋰電位（約0.1-0.5V?v?s.Li/Li⁺），非常適用于作鋰離子電池的負極材料。但是硅基材料在高程度嵌脫鋰條件下，存在嚴重的體積效應，容易導致材料的結構崩塌和電極材料的剝落而使電極材料失去電接觸，從而造成電極循環性能急劇下降。

發明內容

本發明的目的在于針對現有鋰離子電池負極材料提出的上述不足，提供一種首次可逆容量大和循環性能優良的硅碳復合負極材料的制備方法。

本發明的另一目的是提供采用上述方法制備得到的一種鋰離子電池負極材料。

為實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

具體地，本發明中硅粉所占質量份額為1－30份，粒度范圍為50－500nm；石墨為天然球形石墨，所占質量份額為60－97份，粒度范圍為7－22um，石墨中固定碳含量在99.95%以上；高分子聚合物是聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩中的一種或任幾種的組合；包覆劑是瀝青、酚醛樹脂、糠醛樹脂和環氧樹脂中的一種或任幾種的組合，所占質量份額為2－10份；溶劑是甲苯、喹啉、四氯化碳、石油醚、溶劑汽油、甲醇、乙醇、異丙醇、丙酮和乙酸乙酯中的一種或任幾種的組合；惰性氣體是氮氣、氬氣、氦氣、氖氣和氙氣中的一種或任幾種的組合。

具體的步驟是：

a)向硅粉中加入特定高分子聚合物的N-甲基吡咯烷酮（簡稱NMP）溶液，攪拌4小時后，在40－80℃下進行烘干；

b)將硅粉、石墨進行機械球磨混合，機械球磨混合的轉速為1000－4000rpm,球磨時間為1-10小時；然后在真空條件下進行干燥，烘干溫度為40－200℃，真空干燥時間為4－16小時；

c)將包覆劑溶解于溶劑中來制作包覆劑的溶液，溶解溫度為25－200℃，攪拌頻率為5－50赫茲，攪拌時間為0.5－10小時；

d)將步驟b制得的硅粉與石墨的混合物冷卻后加入到步驟c的溶液中進行包覆，包覆時可以補充適量的溶劑，包覆溫度為25－200℃，攪拌頻率為5－50赫茲，攪拌時間為0.5－10小時；

e)抽濾除去溶劑并進行真空干燥，真空干燥時間為4－15小時，然后在惰性氣體的保護下進行高溫熱處理，具體過程是先以1－5℃/min的升溫速度升溫到400－600℃，恒溫4－7小時，然后以2.5－4℃/min的升溫速度升溫到900－1200℃，恒溫5－8小時，最后自然冷卻至常溫。

在最后得到負極材料后，還可以進一步地進行過篩處理，過篩目數為200目，然后再次加入步驟c的溶液中，重復進行步驟d與步驟e。

本發明公開了一種鋰離子電池負極材料的制備方法，采用的納米硅具有比表面積大、離子擴散路徑短、蠕動性強以及塑性高等特點，能夠一定程度上抑制合金類材料的體積效應，并且提高其電化學性能；通過在硅材料表面形成一層具有導電性和電化學的高分子聚合物膜，大大降低了硅在充放電循環過程中發生體積效應進而團聚的可能性，改善了因硅微粉團聚而產生的導電性惡化的狀況；同時采用對進行機械球磨混合這種對石墨表面的改進工藝，不僅可以大幅提高材料的首次庫倫效率，延長電極的循環壽命，還能夠縮短鋰離子在石墨層中的擴散路徑，改善電極材料的高倍率性能；同時，通過包覆劑的包覆使硅粉沒有全部同時參與電化學反應，而是在后面的循環過程中逐步參與電化學反應。這樣，通過多方面對硅碳材料的改進，可以大大提高硅碳材料的首次循環效率和循環性能。

具體實施方式

下面將結合本發明的具體實施例對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述。

實施例一

按照表1中所列規格及質量份額準備好各原料：

表1實施例一各原料的質量份額與規格