[發明專利]一種鋰離子電池硅碳負極材料的制備方法

在審

• 申請號: 201710369005.5
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107369809A
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發明（設計）人: 陳慧明;姜濤;王丹;許德超;榮常如;韓建;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: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/36;H01M4/58
• 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

本發明涉及一種鋰離子電池硅碳負極材料的制備方法，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，造成材料的粉化，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鋰離子電池硅碳負極材料的制備方法，該方法采用膨脹石墨片層間原位插入硅氧化物后對氧化硅進行還原得到富硅材料，之后用其他鋰電池負極碳材料與其復合得到硅碳負極材料。該方法不使用硅粉作為硅源，一方面降低材料成本，另一方面保證了硅在膨脹石墨層間的插入，從而保證膨脹石墨對硅的緩沖作用；而且該方法使用其他鋰電池負極碳材料作為主要碳源，提高了材料的靈活性，并且降低成本，容易實現批量化，達到成本、性能的可控性。

本發明的技術方案是這樣實現的：一種鋰離子電池硅碳負極材料的制備方法，其特征在于其制備工藝，具體制備步驟如下：

步驟一、膨脹石墨預處理：向膨脹石墨中滴加有機溶劑，加入量為膨脹石墨質量的8~15倍，有機溶劑為二甲基甲酰胺，將膨脹石墨潤濕，超聲處理30~120min，得到的懸濁液備用；

步驟二、配置前驅體懸濁液：將正硅酸乙酯溶解于步驟一中得到的懸濁液中，正硅酸乙酯加入量是膨脹石墨質量的15~23倍；加入催化劑并保持溶液的PH在一定范圍內，催化劑為硝酸，控制PH范圍在2~5之間，得到前驅體懸濁液；

步驟三、前驅體制備：將去離子水逐滴滴加到步驟二中得到的前驅體懸濁液中，加入去離子水的質量為正硅酸乙酯質量的1.2~1.8倍，并加以強烈攪拌，25℃靜置1~5小時。之后將懸濁液在60~80℃下烘干，得到前驅體；

步驟四、富硅材料制備：將前驅體與鎂粉混合，鎂粉質量為正硅酸乙酯的20%~30%，在氬氣保護下高溫燒結，燒結溫度在600~800℃之間，燒結時間在2~5小時之間，將二氧化硅還原，生成物經過酸洗、水洗后烘干，粉碎后，便得到富硅材料；

步驟五、硅碳負極復合：將富硅材料與其他鋰電池負極碳材料充分混合，富硅材料占總質量的10%~30%，其他鋰電池負極碳材料為人造石墨，經過球磨，便得到硅碳負極材料。

所述的步驟一中的有機溶劑可將二甲基甲酰胺替換為二甲基乙酰胺或N-甲基吡咯烷酮。

所述的步驟二中的催化劑可將硝酸替換為鹽酸，控制PH范圍在2~5之間；或者替換為氨水，將溶液PH范圍控制在8~12之間。

所述的步驟五中的其他鋰電池負極碳材料可將人造石墨替換為天然石墨或者硬碳。

本是新型的積極效果是其不使用硅粉作為硅源，一方面降低材料成本，另一方面保證了硅在膨脹石墨層間的插入，從而保證膨脹石墨對硅的緩沖作用；而且該方法使用其他鋰電池負極碳材料作為主要碳源，通過添加不同比例的富硅材料，來調節硅碳負極復合材料的容量及其他性能，提高了材料的靈活性，并且降低成本，達到成本、性能的可控性。

附圖說明

圖1 是實施例1中材料前驅體掃描電鏡照片。

圖2 是實施例2中硅碳復合材料的首次充放電曲線。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明：

實施例1