[發明專利]一種納米硅碳復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710515424.5
• 申請日: 2017-06-29
• 公開（公告）號: CN107123805A
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 程三崗;李寶玉;陳楓
• 申請（專利權）人: 中能國盛動力電池技術（北京）股份公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 北京華仲龍騰專利代理事務所(普通合伙)11548
• 代理人: 李靜

技術領域

本發明涉及鋰電池技術領域，具體是一種納米硅碳復合材料及其制備方法。

背景技術

隨著社會和科技的發展，人們對鋰離子電池的性能提出了更高的要求，而電極材料在電池性能改進中起著關鍵性作用。當前，商業化的鋰離子電池普遍采用石墨類碳材料作為陽極材料，由于該電極本身較低的理論電化學容量(理論容量372m Ah/g)限制，通過改進電池制備工藝來提高電池性能已難以取得突破性進展，新型高比容量的鋰離子電池電極材料的開發極具迫切性。Si、Sn和Sb等金屬是人們研究比較多的高容量陽極材料，其中硅具有比目前廣泛使用的碳材料高10倍多的理論電化學容量(理論容量4200m Ah/g)，低的嵌鋰電壓(低于0.5V)，嵌入過程中不存在溶劑分子的共嵌入，在地殼中含量豐富等優點而成為下一代高比能動力電池優選負極之一。但由于硅材料本身導電性能差，加之在電化學嵌脫鋰時產生的嚴重體積效應(體積變化率：280％～310％)，造成材料結構的破壞和機械粉化，導致電極材料間及電極材料與集流體的分離，進而失去電接觸，致使電極的循環性能急劇下降。

目前人們提出解決這一問題的辦法主要有兩種：方法之一就是將硅納米化。因為隨著顆粒的減小，在一定程度上能夠降低硅的體積變化，減小電極內部應力。但納米材料在循環過程中易團聚，不足以使電池的性能改善到實用化。第二，采用納米硅碳復合材料，即將具有電化學活性的納米硅或硅合金材料嵌入或負載到碳材料中，碳材料一方面可以改善活性硅材料的導電性，另一方面碳材料可以作為“緩沖骨架”來分散和緩沖硅材料在充放電過程中由于體積變化所造成的電極內部應力，使納米硅碳復合材料具有好的循環穩定性。

隨著科技的發展，市場對納米硅碳復合材料提出了越來越高的性能需求，現有的納米硅碳復合材料在容量及循環性能方面逐漸無法滿足市場需求。研發容量更高、循環性能更優異的納米硅碳復合材料將具有重要的市場價值和社會價值。

發明內容

本發明的目的在于提供一種納米硅碳復合材料及其制備方法，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種納米硅碳復合材料，由以下按照重量份的原料制成：納米硅粉65-70份、石墨100-110份、甲基硅酸鈉6-10份、四丁基溴化銨3-5份、三苯基膦氯化銠18-22份、二丙二醇二甲醚210-230份、馬來酰亞胺30-35份、聚乙烯吡咯烷酮23-27份。

作為本發明進一步的方案：由以下按照重量份的原料制成：納米硅粉66-69份、石墨102-108份、甲基硅酸鈉7-9份、四丁基溴化銨3.5-4.5份、三苯基膦氯化銠19-21份、二丙二醇二甲醚215-225份、馬來酰亞胺31-34份、聚乙烯吡咯烷酮24-26份。

作為本發明再進一步的方案：由以下按照重量份的原料制成：納米硅粉67份、石墨105份、甲基硅酸鈉8份、四丁基溴化銨4份、三苯基膦氯化銠20份、二丙二醇二甲醚220份、馬來酰亞胺33份、聚乙烯吡咯烷酮25份。

所述納米硅碳復合材料的制備方法，步驟如下：

1)稱取石墨和三苯基膦氯化銠，合并后，以乙醇作為研磨液，球磨混合2-3h，獲得混合物A；

2)將混合物A投入至濃硫酸和濃硝酸的混合酸液中，在50-55℃、150-200rpm的條件下攪拌處理1-2h，然后超聲波處理40-45min，然后在75-80℃下回收乙醇，獲得混合物B；

3)將混合物B進行離心分離，并對獲取的固體物質水洗3-4次，在80-90℃下進行烘干，獲得混合物C；

4)稱取納米硅粉、四丁基溴化銨、二丙二醇二甲醚和聚乙烯吡咯烷酮，合并后，加入混合物C，球磨混合3-4h，然后超聲波處理1-2h，獲得混合物D；

5)將混合物D進行離心分離，并將獲取的固體物質在100-110℃下進行烘干，獲得混合物E；

6)稱取甲基硅酸鈉和馬來酰亞胺，合并后，加入混合物E，再加入混合物E總質量35-40％的去離子水，然后一起投入至超剪切分散機中，處理1-2h，獲得混合物F；

7)將混合物F進行真空旋蒸，然后在100-110℃下進行烘干，獲得混合物G；

8)將混合物G投入至微波處理器中，在2460-2480Mhz的頻率下處理8-10min，然后加入5-8倍重量的去離子水，超聲波處理40min，靜置24h，離心分離，并對獲取的固體物質水洗3-4次，在80-90℃下進行烘干，即可。

作為本發明再進一步的方案：步驟1)中，所述乙醇的用量為石墨和三苯基膦氯化銠總重量的2-3倍。