[發(fā)明專利]一種鋰離子電池硅-碳復合材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2014-12-20
• 公開（公告）號: CN104577045B
• 公開（公告）日: 2018-07-10
• 發(fā)明（設計）人: 褚相禮;楊建鋒;黃雨生
• 申請（專利權）人: 江西正拓新能源科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/131
• 分類號: H01M4/131;H01M4/133;H01M4/134;H01M4/1395;H01M4/1391;H01M4/1393;H01M4/62
• 代理公司: 南昌洪達專利事務所 36111
• 代理人: 劉凌峰

本發(fā)明公開了一種鋰離子電池硅?碳復合材料的制備方法。本發(fā)明通過生物源獲得多孔二氧化硅，采用金屬熱反應獲得納米級多孔硅，由納米級多孔硅、導電劑、石墨材料制備硅?碳復合材料，其中導電劑采用纖維狀導電劑與顆粒狀導電劑的復合，納米級多孔硅與導電劑均勻分散并被無定形碳包覆在一起形成復合顆粒，復合顆粒在與石墨材料復合得到最終產(chǎn)品硅?碳復合材料，復合材料粒徑為1um?50um，孔徑為1nm?1um，比表面積為2?50m²/g。所得硅?碳復合材料導電性和機械性能得到改善，具有優(yōu)異的倍率性能及循環(huán)性能。

技術領域

本發(fā)明屬于電極材料制備技術領域，具體涉及一種鋰離子電池硅-碳復合材料及其制備方法。

背景技術

與傳統(tǒng)的鉛酸、鎳鎘、鎳氫等二次電池相比，鋰離子二次電池具有工作電壓高、體積小、質量輕、容量密度高、無記憶效應、無污染、自放電小以及循環(huán)壽命長等優(yōu)點。自 1991年索尼公司成功將鋰離子電池實現(xiàn)商品化以來，鋰離子電池已成為手機、筆記本電腦和數(shù)碼產(chǎn)品的主導電源，在電動汽車和儲能等領域的應用亦越來越廣泛。

目前，大規(guī)模商業(yè)化使用的鋰離子電池負極材料主要是碳材料，包括天然石墨、人造石墨、中間相炭微球（MCMB）等，但其實其理論比容量低（372mAh/g），無法滿足高比容量鋰離子電池的需求。為了提高電池容量，人們開始關注能與鋰形成合金的一些材料。硅基材料擁有巨大的儲鋰容量，其理論比容量可以達到4200mAh/g，略高于碳材料的放電平臺，以及儲量豐富等優(yōu)點而備受關注。然而，在鋰電池充放電過程中，Si陽極發(fā)生了巨大的體積膨脹(100～300%)，這種巨大的體積改變會導致硅材料的粉碎并從集流體上脫落，從而導致可逆容量的急劇減小，循環(huán)性能很差。目前主要通過納米化、合金化以及硅碳復合等手段解決該問題，此外，硅材料多孔化也是解決手段之一。

NANO LETTER 雜質2012年12期802-807發(fā)表了一種核殼結構納米硅/碳復合材料的制備方法，該技術采用雙噴嘴靜電紡絲制備內核為硅納米顆粒，外殼為無定形碳的納米管狀材料，其克容量發(fā)揮高達1491mAh/g，具有優(yōu)異的倍率性能及循環(huán)性能，但該方法產(chǎn)率低，難以滿足產(chǎn)業(yè)化需求。Advanced Materials 雜質2010年22期2247-2250發(fā)表了一種銀包覆三維大孔硅材料的制備方法，該技術通過鎂熱反應制備出具有三維大孔結構的單質硅，再通過銀鏡反應在孔壁上沉積銀納米顆粒而得到硅/銀復合材料，其克容量發(fā)揮高達2416mAh/g，具有優(yōu)異的倍率性能及循環(huán)性能，但是銀的使用大幅度增加材料的成本，不利于商業(yè)化應用。專利CN102651476A公開了一種鋰離子電池硅碳復合負極材料及其制備方法，該技術通過制備石墨分散液和硅研磨分散液，然后將硅研磨分散液加入到石墨分散液中，熱處理得到。該技術采用陰陽離子電荷吸附方法將硅原子分散在石墨原子核上，使硅原子能均勻包覆在石墨表面，有效改善硅碳復合材料制備過程中硅的分散性，提高了其首次效率和循環(huán)性能，其克容量發(fā)揮達878mAh/g，首次效率79.8%。但該方法選用的硅源為納米級硅（80-300nm），成本較高，此外，79.8%的首次效率還是較低。專利CN102214817A公開了一種碳/硅/碳納米復合結構負極材料及其制備方法，該負極材料由碳基導電基體、均勻分布在碳基導電基體上的納米硅及納米硅表面的納米碳包覆層組成。其制備方法是在無氧氣氣氛的反應空間內采用化學氣相沉積工藝在碳基體上沉積納米硅，再通過化學氣相沉積工藝在納米硅表面包覆納米碳。所得“碳/硅/碳”復合負極材料在充放電過程中，硅電極材料的體積變化得到有效控制，電極結構保持完整，循環(huán)容量大，循環(huán)壽命長，電化學性能優(yōu)異。

目前，硅碳復合材料制備主要采用：1）納米硅材料與石墨材料復合并碳包覆；2）粗硅高能球磨與石墨復合并碳包覆；3）在石墨顆粒表面化學氣相沉積包覆一層硅材料并碳包覆。方法1）由于采用納米硅材料，其成本較高，且由于納米材料的團聚作用很難均勻分散；方法2采用高能球磨，制備周期長、成本高；方法3）采用的化學氣相沉積很難在石墨顆粒表面均勻的包覆硅材料。此外，以上方法很難在克容量發(fā)揮與首次效率上同時兼顧。

發(fā)明內容