[發(fā)明專利]一種硅碳復(fù)合電極材料的制備方法

有效

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• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN103647060A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張洪濤
• 申請（專利權(quán)）人: 湖北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;B82Y30/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 42222
• 代理人: 張火春

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技術(shù)領(lǐng)域

??本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，提供一種將納米硅膠囊式封裝在納米碳籠中的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法。

背景技術(shù)

目前，鋰離子電池多采用碳材料作為負(fù)極材料，然而，碳材料的儲鋰容量值小（376?mAh/g），其電極電位與鋰的電極電位比較接近，當(dāng)電池過充電時，碳表面會析出鋰枝晶，從而引起電池短路，并且會有爆炸的危險，嚴(yán)重威脅用戶的人身安全。因此，亟需開發(fā)一種比容量高、安全性能好、循環(huán)周期長的鋰離子電池新型負(fù)極材料來代替碳類電極材料。

硅的理論儲鋰容量值（4200?mAh/g）遠(yuǎn)高于碳材料，然而，當(dāng)硅直接作為負(fù)極材料在充放電時晶體膨脹和收縮導(dǎo)致晶格崩潰，使晶體破裂，使硅晶體之間聚集。并且可與鋰形成合金Li_nSi，但硅鋰合金在充放電時的體積變化較大，最高可達(dá)400%，電極容易粉化脫落，導(dǎo)致電池性能下降，這些都限制了硅在負(fù)極材料上的應(yīng)用。納米晶體硅的膨脹尺度有限，可以解決普通硅充放電時的體積變化的問題。然而納米晶體硅存在著團(tuán)聚嚴(yán)重的不足，循環(huán)次數(shù)一般達(dá)到30次儲鋰容量就降低60%以上，同樣不能直接用作負(fù)極材料。

碳籠是指碳原子六角或五角網(wǎng)絡(luò)包覆形成的密封籠狀結(jié)構(gòu)，最大方向尺度在微米級，最小方向尺度可以在納米級，它可以是香腸管狀的納米碳管也可以是圓形或其它形狀。納米碳管的理論容量為372?mAh/g。一般情況下是端部開口的，即使采取充入其它高容量的活性物質(zhì)，不能保持長周期循環(huán)特性。但是如果把活性物質(zhì)如納米硅封裝在納米碳籠中，納米硅體積膨脹減少，而且碳籠具有彈性膨脹收縮性，在插脫鋰過程中可以反復(fù)進(jìn)行而不會把碳籠撐破，因此具有長周期循環(huán)特性。碳籠材料在一般情況下是剛性的。在應(yīng)力作用下是彈性應(yīng)變。碳籠體積的膨脹和收縮變化是小的。碳籠的循環(huán)性能好，在碳籠中的懸掛鍵上與納米硅成共價鍵附著，形成硅-碳復(fù)合材料，硅和碳不形成碳化硅相。一般采用真空燒結(jié)的工藝，然而這種工藝目前僅憑經(jīng)驗來設(shè)定，得到的硅碳復(fù)合材料性能不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，提供一種將納米硅膠囊式封裝在納米碳籠中的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法。

一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，包括如下步驟：將純凈石墨粉置于無水惰性氣體中，然后將體積比為1~20：30~1的聚硅氧烷/甘油混合溶液滴入純凈石墨粉中，密封并加熱至290~310℃，并保持此溫度24~48小時，使石墨的層間距充分撐開，然后直接將其轉(zhuǎn)移至脈沖激光工作室中的樣品舟上，加熱至120~300℃后用脈沖激光輻射，即得到硅碳復(fù)合電極材料。

所述的純凈石墨粉由如下步驟得到：首先將石墨粉碎成細(xì)度≤1μm的石墨粉，用30wt%的鹽酸溶液清洗石墨粉中的雜質(zhì)，然后用去離子水沖洗石墨粉，接著將石墨粉在去離子水中超聲30小時。然后取出石墨粉，暴露在300℃空氣中、波長為190?nm的紫外燈下烘干24小時。

所述的脈沖激光輻射的方式為：激光每隔90°在水平面旋轉(zhuǎn)樣品，每次輻射石墨粉樣品30分鐘。

所述的惰性氣體為氬氣。

所述的激光為Kr⁺脈沖激光。

所述的樣品舟為二氧化硅樣品舟或瑪瑙樣品舟。

本發(fā)明的碳硅復(fù)合電極材料制得的鋰電池比容量大，壽命長，安全性能好，循環(huán)周期長。

附圖說明

圖1為硅碳復(fù)合電極材料的X射線衍射圖譜。

圖2為硅碳復(fù)合電極材料的場發(fā)射透射電子顯微鏡圖。

圖3為扣式電池的容量和電壓關(guān)系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例1

首先將5000?g石墨粉碎成細(xì)度≤1μm的石墨粉，取500?g石墨粉，用500?mL?30wt%的鹽酸清洗石墨粉中雜質(zhì)。然后用去離子水沖洗2~3次，接著在去離子水中超聲30小時。然后取出石墨粉，暴露在300℃空氣中并于波長為190?nm的紫外燈下烘干24小時，即得到純凈石墨粉。