[發明專利]低成本鋰離子電池用硅碳合金負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710809401.5
• 申請日: 2017-09-10
• 公開（公告）號: CN107611397A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 朱德康
• 申請（專利權）人: 綿陽梨坪科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種電池負極材料及其制備方法，特別是一種鋰離子電池負極 材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池具有電壓高、能量密度大、無記憶效應、壽命長、綠色無污染、 自放電小的優點，已經成為各種便攜式電子產品的首選供電設備，與人們的日 常生活密不可分。隨著全球環境問題的日益嚴峻，“低碳”的概念越來越深入 人心，鋰離子電池的諸多優點使得鋰離子電池有望代替石油產品成為便攜式電 動工具、電動汽車等的理想動力電源，必將在人類生產生活中發揮更加重要的 作用。

現有技術的鋰離子電池負極材料主要使用天然石墨與人造石墨，其較低的 比容量，理論值為372mAh/g已經越來越不適應鋰離子電池高容量、小體積的 發展需求。開發能夠替代石墨材料的鋰離子電池用負極材料成為鋰離子電池行 業的迫切需求。在諸多的可替代材料中，硅，這種具有極高比容量，理論值4200 mAh/g的材料，成為替代天然石墨與人造石墨的極具潛力的一種材料。然而， 鋰離子在硅材料制備的負極嵌入與脫嵌過程中存在很大的體積變化，這種極大 的體積變化能夠使制備的極片粉化、脫落，造成電極活性物質與集流體的分離， 從而嚴重影響了電池的循環性能。硅材料的這種體積效應，成為硅負極材料產 業化的巨大障礙。

發明內容

本發明的目的是提供一種低成本鋰離子電池用硅碳合金負極材料及其制備方法， 要解決的技術問題是提高硅碳合金負極材料的循環性能，且兼有較高的比容量。

本發明采用以下技術方案：一種鋰離子電池用硅碳合金負極材料，所述鋰 離子電池用硅碳合金負極材料以粒度20～250nm的硅粉顆粒為基體，基體表面 包裹有碳納米纖維和無定型碳，碳納米纖維和無定型碳的厚度為400～700nm，所述 碳納米纖維和無定型碳為短線狀、塊狀和層狀中空結構裂解碳。

一種鋰離子電池用硅碳合金負極材料的制備方法，包括以下步驟：一、按 質量比，將1～9％的催化劑前軀體、1～5％的添加劑和86～98％的20～250nm 硅粉，按料與有機溶劑質量體積比100∶2～4混于有機溶劑中，得到漿料；所 述催化劑前軀體為硝酸鐵、乙酸鎳和硫酸銅中的一種以上，所述添加劑是羥甲 基纖維素或檸檬酸，所述有機溶劑是丙酮、乙醇、四氫呋喃和蒸餾水中的一種 以上；二、漿料干燥，得到含水量為0.01％以下的粉末；三、將干燥得到的粉 末以升溫速率3℃/min，至溫度為600～900℃，煅燒1～10小時，爐內自然冷 卻至室溫；四、以升溫速率3～5℃/min，至化學氣相沉積溫度600～850℃，充 入碳源氣體，流量為1～4L/min·M³，同時充入保護氣體，流量為1～3L/min·M³， 化學氣相沉積時間為1～3h，自然降溫至室溫停止充入保護氣體，得到復合顆粒 即鋰離子電池用硅碳合金負極材料；所述碳源氣體為乙炔、甲烷或液化石油氣， 所述保護氣體為氮氣或氬氣。

本發明的方法將復合顆粒進行粉碎，粒徑為10～60um。

本發明的超聲振蕩功率密度為1600W/m2，時間1～20h。

本發明的方法將漿料干燥，升溫速度為5℃/min，至溫度為100℃～200， 干燥烘干10h。

本發明的方法將煅燒后的物料進行破碎，破碎后粒徑分布為200～800nm。

本發明的化學氣相沉積爐體轉速為0.5r/min。

本發明的步驟一按質量比，將2～5％的催化劑前軀體、1～5％的添加劑和 91～95％的20～250nm硅粉，混于有機溶劑中。

本發明的步驟三煅燒1～10小時。

本發明的步驟四升溫速率3℃/min，化學氣相沉積溫度600～750℃，化學氣 相沉積時間為1～2h。

本發明與現有技術相比，硅碳合金負極材料比容量高、循環性能良好，容 量大于1000mAh/g，循環20次容量保持率在90％以上，本發明的制備工藝簡單， 原料成本低廉，適用于高容量型各類鋰離子電池負極材料。

具體實施方式

本發明的鋰離子電池 用硅碳合金負極材料，以粒度20～250nm的硅粉顆粒為基體，通過有機溶劑溶 解、干燥并煅燒的方式在硅粉顆粒基體表面包裹有一層鐵、鎳或銅的氧化物作 為催化劑，在管式爐或回轉爐中進行化學氣相沉積CVD，在硅粉顆粒基體外沉 積一層碳納米纖維和無定型碳，碳納米纖維和無定型碳的厚度為400～700nm，碳納 米管和無定型碳結構將硅粉顆粒緊緊包裹在中心形成一種復合顆粒，從而有效 抑制硅顆粒在充放電循環中的體積效應。