[發明專利]一種碳硅負極材料的制備方法和鋰離子電池

有效

• 申請號: 201711205133.2
• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN107910540B
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 謝紅波;陳海初;陳振兵
• 申請（專利權）人: 湖南格蘭博智能科技有限責任公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京風雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 曾志鵬

本發明公開了一種碳硅負極材料的制備方法和鋰離子電池，制備方法包括：將活性炭和硅酸鹽加入到水中，攪拌均勻，所述活性炭的粒徑為0.1?30μm；加入酸溶液，攪拌，洗滌，干燥；通入氫氣，反應完全后，冷卻得到碳硅負極材料。該發明采用沉淀、還原等方法將硅材料嵌入活性炭的空隙中，抑制了硅材料的膨脹，制得的碳硅負極材料，結構穩定，可用于制備導電性好、比容量高、循環壽命長的鋰離子電池。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池材料領域，具體涉及一種碳硅負極材料的制備方法和鋰離子電池。

背景技術

鋰離子電池由于具有比能量大、工作電壓高、安全性高、環境污染小等優點，在各種便攜式電子設備、電動汽車和新能源存儲等領域有廣泛的應用前景。目前，生產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達到了360mAh/g，并已經接近其理論比容量372mAh/g，再想提升其空間已很難實現。

在動力電池能量密度提升的壓力下，新材料的導入已經迫在眉睫。繼此前高鎳三元材料布局熱潮之后，關于硅碳負極的產業化也開始提上日程。與石墨負極材料相比，硅負極材料的比容量高達3500mAh/g以上，理論能量密度超其10倍以上，且儲量豐富、成本低廉，被視為碳負極材料的替代性產品。為了盡可能的提升電池的能量密度，國內眾多企業已開始加大對硅基負極材料的研發與應用。但硅材料在電池充放電過程，體積膨脹達到自身三倍以上，容易粉化，導致使用壽命降低，限制其廣泛應用；如何降低硅材料在電池充放電過程中的體積膨脹系數，成為研究的關鍵。目前采用的主要方法是：減小硅顆粒的粒徑，制備納米級材料以減小體積變化產生的內應力；采用碳包覆制備核殼結構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聚，影響電極的循環穩定性；采用碳包覆制備核殼結構材料其碳殼結構緊密，雖然部分緩解了在充放電過程中硅體積變化帶來了應力問題，然而也使得在電解液中很難完全、快速的與硅活性材料反應，因此往往不能充分發揮硅材料的最大容量，并且難以快速充放電，而且如何將碳均勻包覆在硅表面是個難點，而包覆的是否均勻將直接影響材料的比容量及循環性能。

上述制備方法雖然在一定程度上提高了首次比容量，改善了循環穩定性，但由于上述方法多是直接采用活性納米硅粉為原料，制備硅復合負極材料，納米硅粉成本較高，同時多次充放電循環后，質量比容量又開始迅速衰減。因此，開發一種工藝簡單，成本低，能有效抑制硅體積效應的制備方法，是制備高比容量硅復合材料的關鍵。

申請號為201610079691.8的發明專利公開了一種利用鎂熱還原制備鋰離子電池硅碳負極材料的方法，該發明首先將硅酸鈉、葡萄糖和氯化鈉按一定的配比加入到水中混合，將混合液加熱干燥，制得棕色焦糖狀前驅體；Ar氣氛下升溫至650℃煅燒，獲得硅酸鈉/碳前驅體；利用強酸制弱酸原理，加入HCl至硅酸鈉/碳前驅體，制成混合溶液，后續將混合溶液置于170℃烘箱中進行干燥，將樣品經過水洗后獲得二氧化硅/多孔碳復合材料；將二氧化硅/多孔碳復合材料與鎂粉和氯化鈉均勻混合，700℃煅燒，經過酸處理、水洗和干燥后獲得硅碳復合材料。此方法缺點是生成碳與硅酸鈉混合體，有部分硅酸鈉被碳完全包覆，導致后面無法跟鹽酸反應，也無法還原成硅并且在還原過程中加入氯化鈉較多，難以清洗，殘留在材料中影響電池性能，并且該方法成本較高，工藝復雜，且存在安全隱患。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種硅碳負極材料的制備方法和鋰離子電池。

本發明提供一種碳硅負極材料的制備方法，包括以下步驟：

a)將活性炭和硅酸鹽加入到水中，攪拌均勻，所述活性炭的粒徑為0.1-30μm；

b)加入酸性強于硅酸的酸溶液使得混合液的PH小于4，攪拌，洗滌，干燥；

c)將步驟b)所得材料置于密閉容器中，通入氫氣，反應完全后，冷卻得到碳硅負極材料。

優選的，步驟a)中所述硅酸鹽為硅酸鈉或硅酸鉀。