[發明專利]以硅溶膠為硅源的有機物碳化復合硅碳負極的制備方法

在審

• 申請號: 201710368463.7
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107359317A
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 陳慧明;姜濤;許德超;榮常如;張斌;張克金
• 申請（專利權）人: 中國第一汽車股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司22100
• 代理人: 王薇

技術領域

本發明涉及一種以硅溶膠為硅源的有機物碳化復合硅碳負極的制備方法，屬于鋰離子電池技術領域。

背景技術

當前，鋰離子電池作為成熟的儲能單元，已經逐漸融入生活的每一個部分。生活中的手機、筆記本等電器都是使用鋰離子電池作為其儲能單元。近幾年鋰離子電池逐漸被用在動力儲能方面，電動汽車就是鋰離子電池重要的應用對象，然而目前的鋰離子電池能量密度仍然無法達到純電動汽車對續航里程的要求。

對于動力電池來說，對其能量密度影響最多的因素應該是正極材料和負極材料。目前正極材料正朝著高容量和高電壓兩個方向發展，開發與正極材料性能相匹配的負極材料，才能有效地發揮出正極材料的特性。

硅基電池負極材料具有很高的容量性能，純硅的理論比容量是4200mAh/g，是極具開發潛力的鋰離子電池負極材料。目前硅基負極材料面對的主要問題是硅在充放電過程中的體積變化，因此使用碳材料作為緩沖骨架，可以緩沖硅材料的體積膨脹和縮小，硅碳復合負極材料應運而生。目前對硅碳負極材料的研究已經很多，例如專利申請號201210387258.2一種鋰離子電池硅碳復合材料的制備方法和201210283761.3一種高容量鋰離子電池負極材料的制備方法中均使用硅粉與膨脹石墨混合處理，得到硅碳負極材料，但是該方法受到硅粉尺寸及分散工藝的限制，很難真正實現硅粉插入膨脹石墨空隙中的目的，納米級硅粉提高材料成本，另外201210387258.2專利中所有碳源均選用膨脹石墨，大大增加材料成本。

發明內容

本發明的目的是提供一種以硅溶膠為硅源的有機物碳化復合硅碳負極的制備方法，該方法采用有機碳作為主要碳源，復合以富硅石墨得到硅碳復合材料。富硅石墨是以硅溶膠作為硅源，通過前期處理，提高其與膨脹石墨層片之間的結合能力和分散能力，直接將SiO₂插入膨脹石墨片層之間。之后，使用鎂熱還原的方法將其中的SiO₂成硅后，稱其為富硅石墨。本專利中的方法不使用硅粉作為原料，降低材料成本，同時采用有機碳源作為主要碳源，進一步降低材料成本，并且在膨脹石墨層間中原位插入氧化硅之后還原的方法得到硅源，可以更好的為硅提供緩沖層，提高材料性能。

本發明的技術方案是這樣實現的：以硅溶膠為硅源的有機物碳化復合硅碳負極的制備方法，其特征在于制備工藝，具體的制備步驟如下： 步驟一、硅溶膠前處理：取硅溶膠，加入去離子水，去離子水的質量為第二步中膨脹石墨質量的15~30倍，之后在其中加入表面活性劑，表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨，加入量為硅溶膠中SiO₂質量的0.1%~10%，然后將溶液攪拌3~5小時備用;

步驟二、SiO₂插層膨脹石墨制備：稱取膨脹石墨和硅溶膠前處理溶液，使其中的SiO₂質量與膨脹石墨質量比在0.5~1.5之間。將硅溶膠前處理溶液加入到膨脹石墨之中，加以攪拌和超聲使其均勻潤濕后在25~80℃烘干，再經過粉碎步驟便獲得SiO₂插層膨脹石墨；

步驟三、富硅石墨制備：使用鎂熱還原的方法將SiO₂插層膨脹石墨中的SiO₂還原成單質硅，之后經過酸洗、水洗、烘干后，便得到富硅石墨材料;

步驟四、有機碳復合：有機碳源可以選擇聚丙烯腈、蔗糖或者葡萄糖，將其溶解于溶劑中，配置成20%~50%的溶液，其中溶劑為二甲基甲酰胺，之后將步驟三中得到的富硅石墨加入其中，將懸濁液在25~80℃下攪拌烘干，然后在惰性氣體保護下500~800℃溫度下高溫煅燒4~8小時，得到生成物經過粉碎后便得到有機物碳化復合硅碳負極材料。

所述的步驟一中的表面活性劑可由十六烷基三甲基溴化銨替換為聚乙二醇400或六偏磷酸鈉。

所述的步驟四中的溶劑可由二甲基甲酰胺替換為水。

本發明的積極效果是該方法的優勢在于，使用硅溶膠這種廉價的硅源，降低材料的成本；通過對硅溶膠進行前處理，使其插入膨脹石墨層間，更充分的為硅源提供緩沖空間，提高硅碳材料電化學性能；使用有機碳源作為主要碳源，進一步降低材料成本。通過調節富硅材料的加入量達到性能的可控性。

附圖說明

圖1 是實施例1中硅碳復合材料的掃描電鏡照片。

圖2 是實施例2中硅碳復合材料的倍率性能測試。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明：

實施例1