[發明專利]棉絮狀單質硅納米線團/碳復合負極材料及制備方法和用途

有效

• 申請號: 201710144436.1
• 申請日: 2017-03-13
• 公開（公告）號: CN106941153B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 江永斌;江科言;江曼
• 申請（專利權）人: 江永斌
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/42;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京維正專利代理有限公司 11508
• 代理人: 苑新民;魏坤宇

1.一種棉絮狀單質硅納米線團的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)將純度為98％-99.9999％的高純硅放入蒸汽反應爐內的反應器內，在真空密閉環境條件下，用反應器內的等離子體噴槍加熱高純硅成氣態高純硅，氣態高純硅通過管道進入生長控制器內生長成控制尺寸的棉絮狀單質硅納米線團，棉絮狀單質硅納米線團與反應器內的氣體一同通過管道進入收集器內經氣固分離得到固態的棉絮狀單質硅納米線團，收集器出氣口連通的管道上連通有真空泵、抽風機和熱交換器，經熱交換器后的冷卻氣體穿過反應爐與反應器內腔連通，儲料桶的出料口和生長控制器的進料管均穿過反應器同反應器內腔連通；所述的生長控制器前部的進料管道為前進料管、后部的出料管道為后出料管，前進料管長度與生長控制器內徑之比為(0.1-10)：1，前進料管內徑與生長控制器內徑之比為(0.05-0.8)：1；通過控制物料進出生長控制器的流量、流向及冷卻速度以控制棉絮狀單質硅納米線團的成團大小，從而得到要求的棉絮狀單質硅納米線團； (2)打開收集器出料閥口，取出棉絮狀單質硅納米線團；棉絮狀單質硅納米線團的純度為98％-99.9999％。

2.一種棉絮狀單質硅納米線團/碳復合負極材料的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：(1)配制聚合物溶液：稱量利用權利要求1所述的方法制備的棉絮狀單質硅納米線團和中高分子聚合物，單質硅納米線團質量百分比占10％-90％，中高分子聚合物質量百分比占10％-90％，將稱取的中高分子聚合物溶解于溶劑中，得1-30wt％的聚合物溶液； (2)一次混合：將步驟(1)稱取的棉絮狀單質硅納米線團裝入步驟(1)制作的中高分子聚合物溶液中進行機械攪拌均勻分散混合或機械乳化分散混合或超聲均勻分散混合得到混合液； (3)二次混合：將步驟(2)制備的混合液，抽至150-350℃和100-500kpa的壓力容器內，進一步均勻分散混合，使中高分子聚合物更好的包覆單質硅納米線得到均勻混合液； (4)過濾烤干：將步驟(3)制備的均勻混合液經過溶劑過濾或烤干或過濾后烤干得到混合物材料； (5)碳化：將步驟(4)制備的混合物材料裝入成料舟中，放到加熱反應爐中在氮氣和/或惰性氣體的保護下烘燒加熱到900-1600℃溫度保溫2-24小時對混合物材料進行碳化反應處理，然后自然降溫至200℃以下后，取出碳化反應后的物料，再經粉碎和過篩，得到棉絮狀單質硅納米線團/碳復合負極材料；

所述中高分子聚合物為下列材料中的一種或多種：酚醛樹脂、瀝青、葡萄糖、蔗糖、淀粉、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯。

3.根據權利要求2所述的一種棉絮狀單質硅納米線團/碳復合負極材料的制備方法，其特征在于：所述的反應爐為真空管式爐、回轉爐、輥道窖和推板窖之一；所述的惰性氣體為氖氣、氬氣、氦氣中的一種或多種。

4.一種鋰電池的電池負極，其特征在于：負極包含權利要求2-3任意一項所述的一種棉絮狀單質硅納米線團/碳復合負極材料的制備方法制備的棉絮狀單質硅納米線團/碳復合負極材料。

5.一種鋰電池，其特征在于：所述的鋰電池包括電池正極、電池負極、電解液和隔膜，所述的電池負極是如權利要求4所述的鋰電池的電池負極；

得到的棉絮狀單質硅納米線團/碳復合負極材料制作的電池首次充電比容量為1768mAh/g以上，首次放電比容量為1415mAh/g以上，100次循環后放電容量保持在1118mAh/g以上，衰減率在36.76%以下。

6.用權利要求2-3任意一項所述的一種棉絮狀單質硅納米線團/碳復合負極材料的制備方法制備的棉絮狀單質硅納米線團/碳復合負極材料，其特征在于：所述的單質硅納米線團是用單質硅納米線或單質硅納米顆粒和單質硅納米線集結成的棉絮狀結構，其中，所述單質硅納米線團的外表面及其空隙中包覆著導電碳材料或混合導電材料形成鋰離子電池負極材料；所述單質硅納米線團結構中，直徑為15nm-300nm的單質硅納米線的質量占單質硅納米線團總質量的50％以上；單質硅納米線團結構中，直徑為0.5μm-100μm的單質硅納米線團的質量占單質硅納米線團總質量的50％以上；所述導電碳材料由下列一種中高分子聚合物碳化而成：酚醛樹脂、瀝青、葡萄糖、蔗糖、淀粉、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯。