[發(fā)明專利]一種鋰離子電池負極材料及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310254127.1
• 申請日: 2013-06-15
• 公開（公告）號: CN103337610A
• 公開（公告）日: 2013-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 臧文平;殷正娥;趙旭
• 申請（專利權(quán)）人: 天津錦美碳材科技發(fā)展有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/139;H01M4/13;C04B35/622
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鋰離子電池負極材料及其制備方法，屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著微電子工業(yè)、汽車行業(yè)的快速發(fā)展，以及各種便攜式通訊設(shè)備、個人電腦、小型電子設(shè)備的普及，人類對鋰離子電池的要求也朝著高能量密度、高功率密度、高安全性、長壽命、快速充放電、輕薄的方向發(fā)展。目前商業(yè)化鋰離子電池負極材料主要使用天然石墨和人造石墨，其比容量一般在300-360mAh/g，同時石墨類材料的理論值為372mAh/g，發(fā)展?jié)摿τ邢?，因此發(fā)展高比容量的鋰離子電池用負極材料成為鋰電行業(yè)的迫切要求。

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。在已知的儲鋰材料中，硅具有最高的理論容量(～4200mAh/g)和較為適中的嵌脫鋰電位(～0.1-0.5V?vs.Li/Li⁺)。但是，硅基材料在高程度脫嵌鋰條件下，存在嚴重的體積效應(yīng)，造成材料結(jié)構(gòu)的破壞，從而導(dǎo)致電極的循環(huán)性能急劇下降，電極多次充放電會引起負極材料發(fā)生團聚，影響電池的穩(wěn)定性。目前解決這些問題的途徑主要有：a.制備納米尺寸的負極材料，緩解充放電過程中的體積膨脹；b.將非活性物質(zhì)與活性儲鋰材料復(fù)合，降低負極材料的體積膨脹，同時防止活性物質(zhì)的團聚；c.制備特殊結(jié)構(gòu)的負極材料，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)勢來緩解負極材料的體積膨脹。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種鋰電池負極材料及其制備方法。本發(fā)明的目的在于提供一種碳包覆的硅基前驅(qū)體陶瓷粉，該陶瓷粉與石墨負極按一定比例混合后構(gòu)成高充放電容量、循環(huán)性能好、庫侖效率高的新型硅碳復(fù)合型鋰離子電池負極材料。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：以前驅(qū)體陶瓷液或溶膠為原料，裂解形成陶瓷粉，該過程中通入含碳化合物，熱解形成含碳小分子，在陶瓷表面包覆一層碳，獲得碳包覆的前驅(qū)體陶瓷，然后將其與石墨負極按比例混合得到鋰離子電池負極材料。

所述前驅(qū)體陶瓷液為聚硅氧烷液、聚硅氮烷液或聚硼硅氮烷液。

所述的前驅(qū)體陶瓷溶膠為聚乙烯基硅基二亞酰胺溶膠、聚甲基硅基碳二亞酰胺溶膠、聚苯基硅基碳二亞酰胺、聚氫硅基碳二亞酰胺溶膠或聚硼碳基碳化二亞胺溶膠。

所述的前驅(qū)體陶瓷，包括硅氧碳、硅碳氮、硅硼碳氮、硅氧碳氮、硅硼氧碳氮。

所述的含碳化合物，包括甲烷、乙烯、乙炔等易裂解氣體和甲醛、甲醇、乙醇等小分子液體。

一種硅氧基前驅(qū)體陶瓷石墨負極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將聚硅氮烷液倒入玻璃器皿，放入高溫管式爐恒溫區(qū)進行程序控溫交聯(lián)，按照2-5℃/min的升溫速率升至250-350℃，保溫2-3h后，再以2-5℃/min的降溫速率降至室溫得到交聯(lián)體。

2)在Ar保護下，將交聯(lián)體于高溫管式爐恒溫區(qū)進行程序控溫?zé)峤?，按?-5℃/min的升溫速率升至1000-1400℃，保溫1-2h后，通乙烯，流量60-100sccm，Ar氣氛下以2-5℃/min的降溫速率降至室溫得到碳包覆的硅碳氮陶瓷粉末。

3)將得到的碳包覆的硅碳氮陶瓷粉末磨碎，將其與石墨負極按照1∶1～10∶1的質(zhì)量比混合，得到鋰離子電池負極材料。

所述的石墨負極優(yōu)選天然石墨、人造石墨及其混合，其粒度為D₅₀＝19±2μm。

本發(fā)明提供的鋰離子電池負極材料，首次可逆容量可達1252mAh/g，首次效率95％，循環(huán)200次仍可以保持90％的容量，充放電性能優(yōu)良。本發(fā)明提供的鋰離子電池負極材料的制備方法，通過液相法獲得的前驅(qū)體陶瓷顆粒為納米尺度，能夠有效緩解充放電過程中硅的體積膨脹，同時將其表面通過化學(xué)氣相沉積的方法包覆一層碳，一方面可以緩解體積膨脹，另一方面可保證硅與外部的聯(lián)通。采用本發(fā)明制備的鋰離子電池，容量高、循環(huán)性能良好，可用于工業(yè)化生產(chǎn)。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例作進一步描述，但不以此限制本發(fā)明的保護范圍：

實施例1：

將30g聚硅氮烷液倒入玻璃器皿，放入高溫管式爐恒溫區(qū)進行程序控溫交聯(lián)，按照5℃/min的升溫速率升至300℃，保溫2h后，再以5℃/min的降溫速率降至室溫得到交聯(lián)體。在Ar保護下，將交聯(lián)體放于高溫管式爐恒溫區(qū)進行程序控溫?zé)峤?，按?℃/min的升溫速率升至1100℃，通乙烯20min，流量80sccm并繼續(xù)保溫1h，Ar氣氛下以5℃/min的降溫速率降至室溫得到碳包覆的硅碳氮陶瓷粉末。將得到的碳包覆的硅碳氮陶瓷磨碎，將其與石墨負極按照1∶1的質(zhì)量比混合，得到鋰離子電池負極材料。

實施例2：