[發明專利]硅碳負極材料及其制備方法、鋰離子電池

在審

• 申請號: 201810019503.1
• 申請日: 2018-01-09
• 公開（公告）號: CN110021737A
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 鄧永紅;吳唯;杜磊磊;羅超;王曼;王若
• 申請（專利權）人: 南方科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 深圳中一專利商標事務所 44237
• 代理人: 官建紅

本發明提供一種硅碳負極材料及制備方法、鋰離子電池。所述制備方法包括將木質素、鐵源、硅粉及有機溶劑進行混料及超聲處理，獲得硅碳負極材料前軀體溶液；去除所述硅碳負極材料前軀體溶液中的所述有機溶劑，獲得木質素包覆的硅顆粒混合物；將所述木質素包覆的硅顆粒混合物置于還原性氣氛中進行煅燒處理，使鐵源被還原成鐵，同時所述鐵對所述木質素的碳化過程中起催化作用，使所述木質素在碳化時石墨化程度得到提高，獲得碳包覆的硅負極材料；采用酸液對所述碳包覆的硅負極材料進行若干次洗滌處理，使所述鐵被去除，獲得硅碳負極材料。該方法獲得的硅碳負極材料可以提高鋰離子電池循環穩定性。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及一種硅碳負極材料及其制備方法、鋰離子電池。

背景技術

硅因其具有高比容量(室溫理論比容量3580mAh/g)、低脫鋰電位、低成本等特點而被認為可以作為下一代鋰離子電池極的負極材料。然而，硅負極材料的規模化使用應解決兩個關鍵問題：(a)硅顆粒在脫嵌鋰時伴隨著體積的膨脹和收縮(收縮率超過300％)而導致的顆粒粉化、脫落以及電化學性能失效；(b)硅顆粒表面固體電解質層(SEI)的持續生長導致電解液以及來自正極的鋰源的不可逆消耗。目前解決硅負極材料的上述問題的方法主要是通過制備硅碳復合材料負極。在硅碳復合材料中，硅主要作為活性物質，提供容量；碳材料在充放電過程中的作用包括：(1)緩沖和調節硅活性材料體積變化，從而阻止電極材料的粉化和脫落；(2)提供高電導率促進電子和離子的移動；(3)減少活性電極材料與電解液的接觸面積，在電極/電解液界面形成穩定的SEI膜，從而提高材料的循環穩定性和降低首次不可逆容量。目前現有的硅碳復合材料負極的制備方法，普遍采用球磨混合硅納米顆粒、石墨和有機碳源，將其充分分散后熱處理，以有效解決納米硅顆粒由于粒度小、表面能高而存在的易發生團聚等問題。

申請號為201310699578.6的中國發明專利，公開一種鋰離子電池硅碳復合材料及其制備方法，具體是通過制備高分子/硅/(炭黑)復合微球乳液，把納米硅固定在高分子微球內部，再將微球乳液與石墨、瀝青等復合，熱處理后得到硅碳復合負極材料。高分子微球在材料中主要用做穩定納米硅顆粒的固定器，并在熱處理后作為固定硅顆粒與石墨顆粒的粘結劑，以解決硅顆粒易團聚的問題。但是，通過此種方法制備的硅碳復合負極材料由于高分子不提供容量，占據了一部分的負極材料，將該硅碳復合負極材料用在鋰離子電池中時，鋰離子電池的容量僅有500mAh/g左右，且制備過程中需要在可聚合的不飽和單體、交聯劑和阻聚劑的加入下長時間研磨才能得到硅顆粒分散液，其后再加入偶聯劑、油溶性引發劑、鏈轉移劑高速攪拌或高速剪切乳化分散等步驟才能得到充分分散的微球乳液，整個制備工藝繁瑣。

申請號為201610573548.4的中國發明專利申請公開一種以木質素為原料氮摻雜碳球及其制備方法與應用。具體是以來自造紙廢液的堿性木質素為碳源，通過木質素在四氫呋喃-水界面的自組裝制得木質素膠體球，惰性氣體下煅燒后得到結構均一的多孔碳球，應用于鋰離子電池負極材料時表現出較好的首次庫倫效率和長循環穩定性。此方法成功將堿木質素廢物利用并功能化，這種方式制備的碳材料主要是對木質素進行重氮化改性，以使得木質素的電化學性能得到改善，作為鋰離子電池的負極活性材料時循環較為穩定，但是容量較低(低于250mAh/g)。

申請號為201410103033.9的中國發明專利申請公開一種作為鋰離子電池的負極材料的Si/C復合物，具體的制備過程為將含有木質素的C前軀體與含有硅的活性材料相互接觸后，在至少400℃的溫度下在惰性氣體氣氛中將木質素轉化為無機碳。該方法得到的碳石墨化程度低，獲得的Si/C復合物用在鋰離子電池上時，容量僅為800mAh/g左右。

發明內容

針對目前硅碳負極材料制備工藝繁瑣，用于鋰離子電池時易發生團聚、容量發揮小等問題，本發明提供一種硅碳負極材料及其制備方法。

進一步地，本發明還提供包括本發明硅碳負極材料的鋰離子電池。

為實現上述發明目的，本發明的技術方案如下：