[發(fā)明專利]一種制備致密包覆的硅碳納米復(fù)合材料的方法

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• 申請日: 2017-12-05
• 公開（公告）號: CN109873132A
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王熙;劉洋;梁奇鋒;楊一君;周云瞻
• 申請（專利權(quán)）人: 北京交通大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 北京華仁聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11588
• 代理人: 尹春雷

本發(fā)明公開了一種制備致密包覆的硅碳納米復(fù)合材料的方法，屬于鋰電池負極材料技術(shù)領(lǐng)域，該方法主要包括：利用熱等離子法制備球形的納米硅；根據(jù)軟、硬碳和硅的硬度特性，利用球磨法將等離子法所制備的納米硅和軟、硬碳材料進行球磨得到碳包覆性較高的硅碳負極材料。本發(fā)明引入了材料的硬度特性，利用不同硬度的材料在球磨過程的作用力的不同，制備一種致密的鋰電池負極的硅碳復(fù)合材料。其復(fù)合材料明顯減緩了硅的巨大體積膨脹的影響，形成較穩(wěn)定的SEI膜，拓寬了離子和電子的輸送通道，具有更優(yōu)質(zhì)的電化學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池負極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制備致密包覆的硅碳納米復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)

我國目前面臨的能源危機日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)的能源包括煤、石油、天然氣等化石燃料為不可再生的資源。并且化石燃料的使用會伴隨二氧化碳、二氧化碳等氣體的排放致使全球變暖和環(huán)境污染等問題。尋找一種高產(chǎn)，環(huán)境友好型的能源尤為重要。

鋰離子的二次電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、安全可靠等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備中，并向電動汽車、性能源儲能領(lǐng)域拓展。同樣在面對環(huán)境污染，能源短缺等一系列問題時。發(fā)展鋰離子電池對國家而言具有重大戰(zhàn)略意義。

硅材料具有4200mAh/g的理論比容量，嵌鋰電位在0.4V左右，既具有高能量密度又具有高安全性能，已經(jīng)吸引了無數(shù)研究者的注意力。但是硅材料在嵌鋰過程中伴隨的巨大體積膨脹高達300％。且首次放電過程中形成的SEI膜，消耗了大量鋰離子產(chǎn)生不可逆容量。另外硅的導(dǎo)電率較低，體積膨脹使材料粉化，導(dǎo)致容量快速衰減。

為了解決硅負極材料在充放電過程中容易發(fā)生應(yīng)力開裂，引起體積膨脹導(dǎo)致循環(huán)性能劣化的問題，目前采用的解決手段主要有：減小活性納米硅顆粒的粒徑，制備納米級材料以減少體積變化的內(nèi)應(yīng)力，例如公開號為CN104362300A的中國發(fā)明專利申請；用活性金屬或者非活性金屬制備中間相物質(zhì)取代純金屬，例如公開號為CN105826533A的中國發(fā)明專利申請；制備多孔硅基體取代硅顆粒，例如公開號為CN102157731A的中國發(fā)明專利申請；制備核殼結(jié)構(gòu)材料，例如公開號為CN104953122A的中國發(fā)明專利申請。

上述方法雖然或多或少解決了硅作為負極材料時體積膨脹的問題，但是存在原料昂貴、工藝復(fù)雜、制備過程中易引入雜質(zhì)、難以工業(yè)化生產(chǎn)等問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)在將硅作為鋰電池負極時遇到的問題，提供一種制備致密包覆的硅碳納米復(fù)合材料的方法。

本發(fā)明的發(fā)明人通過不斷探索發(fā)現(xiàn)，綜合熱等離子體制備粉體技術(shù)和球磨技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢，利用硅粉與軟、硬碳在硬度上的差異，可以采用廉價易得的原料以較為簡單的工藝過程，實現(xiàn)致密包覆的硅碳納米復(fù)合材料的工業(yè)規(guī)模制備，制備過程中能夠保證產(chǎn)品的純度，最終獲得具有優(yōu)異電池性能的硅碳納米復(fù)合材料。

本發(fā)明提供的一種制備致密包覆的硅碳納米復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：

(1)以微米硅粉為原料利用熱等離子體方法制備納米硅粉；

(2)將納米硅粉與軟碳或硬碳材料混合后球磨；

(3)將球磨后的產(chǎn)物篩分、收集得到致密包覆的硅碳納米復(fù)合材料。

利用熱等離子體方法可以以廉價易得的微米硅粉為原料，得到粒徑分布窄、形貌可控、分散性良好的零維納米硅球。

進一步地，步驟(1)所述熱等離子體制備納米硅粉的具體過程如下：

選取市售的微米級硅粉，在惰性氣體載氣的輸送作用下，微米級的原料進入等離子體弧中，在等離子體弧的高溫區(qū)原料被加熱并瞬間氣化生成硅蒸汽，離開等離子體弧后，由于溫度驟降形成過飽和蒸汽，過飽和蒸汽在氣體攜帶向下運輸過程中發(fā)生形核和長大成為納米硅粒子，最終在反應(yīng)器沉淀得到納米硅粉體。