[發明專利]一種金屬及其氧化物與碳復合材料生產工藝

在審

• 申請號: 201710201327.9
• 申請日: 2017-03-30
• 公開（公告）號: CN106876678A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 王自強
• 申請（專利權）人: 蘇州載物強勁新材料科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/62;H01M4/04
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技術領域

本發明涉及一種金屬與碳覆合材料技術設備領域，特別涉及一種金屬及其氧化物與碳復合材料生產工藝。

背景技術

高容量二次電池負極材料的研究與應用已成為提高電池性能的關鍵。在理論上，一些可以與離子組成合金系統的金屬或金屬及其氧化物都可作為二次離子電池負極材料。這些負極材料統稱為合金負極材料。Al、Sn、Si和Sb等活性貯鋰元素是較為常見的鋰離子二次電池金屬負極材料。Zn也是較為常見的二次電池用金屬負極材料。

合金負極材料的缺點是首次不可逆容量較大和循環性能差。根本原因在于：合金負極材料在進行嵌脫反應時，組分晶體的結構會發生重構，并伴隨著大的體積膨脹；同時，在晶體材料中，金屬間化合物的形成還會導致兩相邊界區域產生不均勻的體積變化，造成活性顆粒的破裂或粉化。這種破裂和粉化會導致活性顆粒和電極失去接觸，甚至造成負極的崩塌產生很大的不可逆容量。

現有技術中，為了解決這個難題，企業和研究機構進行了各種努力嘗試，其技術路徑是：對無機材料Si進行包覆處理，并將合金負極與碳材料進行復合，形成核-殼結構的材料；依靠熱解碳外殼限制金屬負極的膨脹，以及延緩金屬負極與箔材剝離。由于金屬材料在碳源熱解的高溫環境下容易熔解，易于氧化等難題，對于如金屬錫(Sn)、鋅(Zn)、鋁(Al)等金屬材料的包覆處理尚未有公開報道的成熟工藝。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供了一種金屬及其氧化物與碳復合材料生產工藝，針對現有技術中的不足，優化生產工藝，采用碳源與金屬錫、鋅、鋁及其氧化物進行包覆處理，制備球型核殼結構的負極材料，依靠熱解碳外殼限制金屬內核負極的膨脹，并有效延緩金屬負極與箔材剝離。

為達到上述目的，本發明的技術方案如下：一種金屬及其氧化物與碳復合材料生產工藝，包括粉料配制、漿料制備、噴霧造粒、表面改性、初步燒結、熱解成殼、冷卻定型、氣流粉碎、復合負極材料，其特征在于：

1、所述粉料配制，所述粉料的組成與配比為：按照重量百分比計；

所述碳源包括蔗糖、聚乙烯醇、淀粉類高分子材料中的任意一種或者兩種以上的混合物；

所述金屬粉體包括錫(Sn)、鋅(Zn)、鋁(Al)金屬材料中的任意一種或者兩種以上的混合物；

所述金屬氧化物粉體包括氧化錫、氧化鋅、三氧化二鋁氧化物粉體中的任意一種或者兩種以上的混合物；

所述增稠劑為羧甲基纖維素鈉；

2、所述漿料制備，將步驟1中的粉體物料投入球磨機內，與蒸餾水溶液進行攪拌分散，并充分混合，在球磨面的研磨下，得到漿料；

3、噴霧造粒，將步驟2中的漿料通過輸送泵送到噴霧干燥塔進行噴霧干燥造粒，控制噴霧干燥塔的參數條件，造粒的顆粒粒徑大于等于100微米，得到球形的由碳源包覆的顆粒團聚體；

4、表面改性，將步驟3中的團聚體轉移到窯爐內，并采用隔絕氧氣的氣氛中進行分段燒結；優選純氮氣作為保護氣體，所述燒結的燒結溫度范圍內為200℃—400℃，所述燒結的時間范圍為4小時—6小時；所述燒結溫度使碳源分解完全形成熱解碳殼，同時又不會使內核的金屬熔解；所述燒結時間也滿足使碳源分解完全形成熱解碳殼，同時又不會使內核的金屬熔解這兩個條件；所述分段燒結包括初步燒結、熱解成殼、冷卻定型；

5、所述初步燒結的燒結溫度范圍為200℃—300℃；保溫時間范圍為至少2小時；

6、所述熱解成殼的燒結溫度范圍為300℃—400℃；保溫時間范圍為至少1小時；

7、所述冷卻定型，在氮氣保持下，降溫冷卻至室溫；得到金屬內核包覆有碳殼的球殼結構復合材料顆粒；所述復合材料顆粒中，金屬及其氧化物表面包覆碳的比例范圍為2％—50％之間；所述復合材料顆粒的真實密度達到0.5g/cm³以上；

8、所述氣流粉碎，步驟7中的得到的復合材料顆粒轉移到氣流粉碎機中，以普通空氣為氣源，通過氣流粉碎機對復合材料顆粒進行球形化粉碎處理，形成10微米—100微米的復合負極材料；

9、所述復合負極材料，將步驟8中的復合負極材料進行檢測、分裝、入庫。

通過上述技術方案，本發明技術方案的有益效果是：通過分散制漿、干燥造粒、表面改性燒結和氣流粉碎生產工藝，將碳源與金屬錫、鋅、鋁及其氧化物進行包覆處理，制備球型核殼結構的負極材料，依靠熱解碳外殼限制金屬內核負極的膨脹，并有效延緩金屬負極與箔材剝離，獲得了高性能的高容量二次電池合金復合負極材料。