[發明專利]一種高穩定的鋰離子電池用硅碳負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201710730146.5
• 申請日: 2017-08-23
• 公開（公告）號: CN107565109B
• 公開（公告）日: 2019-10-18
• 發明（設計）人: 張潔;孟博;杜顯振
• 申請（專利權）人: 山東精工電子科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 姚紅霞

本發明公開了一種高穩定的鋰離子電池用硅碳負極材料及其制備方法。所述硅碳負極材料由硅碳復合材料，N、S共摻雜多孔碳和石墨烯組成，其中硅碳復合材料是在單質硅表面包覆一層有機物裂解碳形成的，占硅碳負極材料含量的5?50w%，N、S共摻雜多孔碳材料占硅碳負極材料含量的40?85w%，最外層為石墨烯，占硅碳負極材料含量的0.5?w10%。本發明首先在單質硅表面包覆一層有機物裂解碳，該碳層可有效緩解單質硅的體積膨脹。其次，N、S元素的共摻雜可進一步提高材料的潤濕性，增加多孔碳的儲鋰容量。最后又以石墨烯包覆，增加了單質硅被包覆的均勻性與致密性。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池負極材料領域，具體涉及一種硅碳負極材料的制備方法及其在鋰離子電池方面的應用研究。

背景技術

繼金屬鋰二次電池之后，鋰離子電池被開發出來，成為新能源中強而有力的候選者之一。硅單質由于其超高的理論容量（4200mAh/g）而成為科學家們研究的重點。然而，硅在充放電過程中表現出劇烈的體積效應，易導致材料顆粒粉化和電極內部導電網絡的破壞，限制了它的商業化應用。

多孔碳材料由于其獨特的多孔結構，而逐步進入研究者的視線，元素摻雜可為鋰離子存儲提供更多的活性位點，提高材料的理論容量和電導率，多孔碳包覆層緩沖了硅的體積效應，并且維持了穩定的電接觸。

石墨烯是碳材料的后起之秀，是具有二維網狀結構的單層碳原子，柔韌的石墨烯層可吸收應力，緩沖硅的體積效應，改善活性硅顆粒的電接觸，維持材料結構穩定和電極完整性。

本發明將單質硅、元素摻雜多孔碳以及石墨烯有機的結合起來，提出了一種新型的合成具有良好的穩定性的硅碳負極材料的制備方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種合成高穩定性硅碳負極材料的有效方法，來緩解硅的體積膨脹，提高循環穩定性。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種高穩定的鋰離子電池用硅碳負極材料，所述硅碳負極材料由硅碳復合材料，N、S共摻雜多孔碳和石墨烯組成，其中硅碳復合材料是在單質硅表面包覆一層有機物裂解碳形成的，占硅碳負極材料含量的5-50w%，N、S共摻雜多孔碳材料占硅碳負極材料含量的40-85w%，最外層為石墨烯，占硅碳負極材料含量的0.5-10w%。

一種高穩定的鋰離子電池用硅碳負極材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）將單質硅分散在有機物裂解碳源溶液中，得到固含量為10-50%的混合溶液，攪拌混合2h，蒸發、干燥；

（2）將包覆后的單質硅置于管式爐中進行碳化處理，研磨，過篩，得到硅碳復合材料；

（3）將步驟（2）得到的硅碳復合材料與N、S共摻雜多孔碳分散在無水乙醇溶液中，攪拌混合，加入氧化石墨烯分散液，超聲0.5-3h，然后逐滴加入聚丙烯酰胺，使分散液發生聚沉，取出固體物質，烘干備用；

（4）將步驟（3）得到的材料置于管式爐中將氧化石墨烯還原成石墨烯，冷卻后，經研磨、過篩，最終得到硅碳負極材料。

所述高穩定的鋰離子電池用硅碳負極材料制備方法中，步驟（1）中有機物裂解碳源為以下的一種或多種：葡萄糖、聚乙二醇、檸檬酸、酚醛樹脂、淀粉；步驟（1）所述有機物裂解碳源的溶劑為水、無水乙醇、四氫呋喃、異丙醇、丙酮和環己酮中的一種或多種；有機物裂解碳源溶液中有機物裂解碳源質量分數占20-50%；單質硅與有機物裂解碳源質量比為1:0.15~1。

所述高穩定的鋰離子電池用硅碳負極材料制備方法中，步驟（2）、（4）管式爐溫度為600-800℃，時間為2-8h，保護性氣氛為氮氣、氬氣、氖氣中的一種。