[發(fā)明專利]一種硅基負(fù)極材料、制備方法和鋰離子電池

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710754552.5
• 申請(qǐng)日: 2017-08-29
• 公開（公告）號(hào): CN107507971A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝紅波;陳海初;陳振兵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖南格蘭博智能科技有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京風(fēng)雅頌專利代理有限公司11403
• 代理人: 曾志鵬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池材料領(lǐng)域，具體涉及一種硅基負(fù)極材料、制備方法和鋰離子電池。

背景技術(shù)

鋰離子電池作為一種新型的二次電池，具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)和無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的使用。目前，生產(chǎn)使用的鋰離子電池主要采用石墨碳為主，碳材料的可逆比容量已經(jīng)達(dá)到了360mAh/g，并已經(jīng)接近其理論比容量372mAh/g。被視為碳負(fù)極材料的替代性產(chǎn)品，但在充放電過(guò)程中存在較大的體積效應(yīng)，導(dǎo)致材料粉化實(shí)效，表現(xiàn)出較差的循環(huán)穩(wěn)定性。在非碳負(fù)極材料中，硅材料具有較高的比容量，達(dá)到4200mAh/g，且儲(chǔ)量豐富、成本低廉，被視為碳負(fù)極材料的替代性產(chǎn)品。然而，純硅材料在電池充放電過(guò)程中存在巨大的體積變化，導(dǎo)致材料粉化實(shí)效，表現(xiàn)出較差的循環(huán)穩(wěn)定性，限制其廣泛應(yīng)用。

為了解決硅負(fù)極材料在充放電過(guò)程中容易發(fā)生應(yīng)力開裂引起體積膨脹導(dǎo)致循環(huán)性能劣化的問(wèn)題，目前采用的主要對(duì)策是：減小硅顆粒的粒徑，制備納米級(jí)材料以減小體積變化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；采用碳包覆制備核殼結(jié)構(gòu)材料以緩解巨大的體積變化等方法。然而納米硅材料極易團(tuán)聚，影響電極的循環(huán)穩(wěn)定性；采用碳包覆制備核殼結(jié)構(gòu)材料在包覆不當(dāng)或者有缺陷的時(shí)候會(huì)使電極活性物質(zhì)與集流體分離，從而影響了電池的循環(huán)性能。

如申請(qǐng)?zhí)枮?01310143242.1的發(fā)明專利公開了硅碳負(fù)極材料、其制備方法及一種鋰離子電池，該發(fā)明首先將有機(jī)硅化合物與還原劑混合、反應(yīng)得到硅-熱解材料；然后將其與石墨球磨混合，得到硅-熱解碳材料；再將得到的硅-熱解碳材料在酸溶液中進(jìn)行刻蝕，然后與含金屬離子的鹽溶液混合，沉積金屬及其氧化物，得到硅碳負(fù)極材料。本發(fā)明采用廉價(jià)易得的有機(jī)硅為原料，在制備的硅碳復(fù)合材料表面包覆了導(dǎo)電性較好的金屬層和金屬氧化物層，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高了材料的導(dǎo)電性能；同時(shí)，所包覆的金屬及其氧化物可以有效降低鋰離子充放電過(guò)程中的體積膨脹和機(jī)械應(yīng)力，使制備的復(fù)合材料具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。但是本發(fā)明中所述金屬離子為Fe²⁺、Fe³⁺、Sn²⁺和Ti⁴⁺中的一種或幾種，得到的金屬層為Fe、Sn和Ti及其氧化物層。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)電性能好，比容量高和循環(huán)穩(wěn)定性好的鋰離子電池用硅基負(fù)極材料，以及提供一種操作簡(jiǎn)單、工藝條件溫和、成本低和適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的制備方法，和一種鋰離子電池。

本發(fā)明提供了一種硅基負(fù)極材料，包括硅碳顆粒和金屬鎳，所述硅碳顆粒表面包覆有金屬鎳。

所述的金屬鎳的厚度為0.5-3微米，硅碳顆粒和金屬鎳的重量配比為100：(0.5-3)。

所述的硅碳顆粒的制備方法為，將有機(jī)碳與硅粉混合，高溫碳化，得到硅碳顆粒；所述有機(jī)碳為：聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚丙烯腈、酚醛樹脂、瀝青、蔗糖、淀粉中的任意一種或其中幾種的混合物。優(yōu)選的，有機(jī)碳與硅粉的重量比為1-10:10-15，高溫碳化的處理溫度為500-1000℃，碳化時(shí)間為2-4h。

所述的硅碳顆粒粒徑大小為3-15微米。

本發(fā)明還提供一種硅基負(fù)極材料的制備方法，將硅碳顆粒、鎳鹽、還原劑、水按重量比100：(1-5)：(1-5)：(90-100)混合，過(guò)濾，洗滌，烘干，烘干溫度優(yōu)選為100-150℃，得到硅基負(fù)極材料。

所述鎳鹽為硫酸鎳、硝酸鎳、氯化鎳中的一種或多種。

所述還原劑為硼氫化鉀、磷酸二氫鈉中的一種或多種。

本發(fā)明還提供一種鋰離子電池，包括硅基負(fù)極材料。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明首次采用鎳包覆硅碳顆粒制得一種導(dǎo)電性能好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的硅基負(fù)極材料。

1、本發(fā)明對(duì)硅碳顆粒表面包覆金屬鎳，可以提高材料的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性從而制備比容量高和循環(huán)壽命長(zhǎng)的鋰離子電池。

2、本發(fā)明硅基負(fù)極材料的制備工藝操作簡(jiǎn)單，工藝條件溫和，生產(chǎn)成本低，滿足工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的硅基負(fù)極材料的SEM圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

將粒徑為5微米的硅碳顆粒、硫酸鎳、硼氫化鉀、水按重量比100：1：1：100均勻混合，攪拌3小時(shí)，過(guò)濾洗滌，150℃烘干，得到硅基負(fù)極材料。

所述硅碳顆粒的制備方法為，將聚氯乙烯與粒徑為1.5μm的硅粉按照質(zhì)量比為1∶1的比例混合球磨，得到聚氯乙烯與硅粉的混合物；將所述混合物轉(zhuǎn)入到瓷舟中，在氬氣的保護(hù)下升溫到950℃，保溫4小時(shí)，冷卻后取出，得到硅碳顆粒。