[發(fā)明專利]一種以魔芋粉為碳源制備鋰離子電池硅-碳復(fù)合負(fù)極材料的方法

有效

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• 申請日: 2018-04-24
• 公開（公告）號: CN108565431B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鞠治成;趙偉;蔡佩君;莊全超;史月麗
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務(wù)所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

本發(fā)明公開了一種以生物質(zhì)材料魔芋粉為碳源制備鋰離子電池硅?碳復(fù)合負(fù)極材料的方法，屬于能源新材料技術(shù)領(lǐng)域。該方法是：將魔芋粉在水中超聲分散形成凝膠狀物質(zhì)，在磁力攪拌器上將硅粉加入到上述凝膠狀物質(zhì)中，攪拌2?12h，經(jīng)干燥后，將樣品置于管式爐中在惰性氣體氛圍中于200?400℃條件下保溫1?4h，然后升溫至500?900℃，保溫1?8h，冷卻至室溫，研磨均勻得到硅?碳復(fù)合負(fù)極材料。本發(fā)明工藝簡單，實(shí)驗(yàn)條件溫和，制備出的硅?碳復(fù)合負(fù)極材料具有較高的比容量，良好的循環(huán)性能，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種制備鋰離子電池硅-碳復(fù)合負(fù)極材料的方法，，尤其是一種適用于能源新材料技術(shù)領(lǐng)域的以生物質(zhì)材料魔芋粉為碳源制備鋰離子電池硅-碳復(fù)合負(fù)極材料的方法。

背景技術(shù)

在眾多的新興能源中，鋰離子電池由于其在功率、環(huán)保方面所具有的眾多優(yōu)點(diǎn)，脫穎而出，已被廣泛應(yīng)用在生活、生產(chǎn)及國防等各個(gè)領(lǐng)域中。但隨著移動電子設(shè)備對便攜性能和續(xù)航能力需求的進(jìn)一步提升，以及無人機(jī)、電動汽車等動力設(shè)備和大容量儲能電池的發(fā)展，傳統(tǒng)的鈷酸鋰石墨體系的鋰離子電池己逐漸無法滿足現(xiàn)實(shí)要求，而迫切需要開發(fā)出更廉價(jià)、更安全、更高功率密度和能量密度的鋰離子電池。

硅與商業(yè)化石墨相比有著極高的理論容量，擁有最高的嵌鋰容量。此外，其電壓平臺比石墨高0.15V，安全性更高，因此，是目前最有希望代替商業(yè)化碳材料的負(fù)極材料。然而，硅和其他合金類負(fù)極材料一樣，也面臨著一個(gè)重要的挑戰(zhàn)：在充放電的合金化與去合金化過程中，硅基主體會產(chǎn)生大于原體積400％的體積膨脹。這種體積相變會引起電極整體的粉化、斷裂，從而使活性材料脫離集流體，最終導(dǎo)致容量的迅速衰減。

目前，常用的改善硅電化學(xué)性能的措施主要有兩個(gè)，一是改善納米化硅基材料的結(jié)構(gòu)形貌。另一種將硅與在充放電過程中體積變化小并且具有一定力學(xué)性能的材料制成復(fù)合材料，利用兩者之間好的界面結(jié)合分擔(dān)硅活性材料在充放電過程中的體積變化而引起的應(yīng)力，防止復(fù)合結(jié)構(gòu)的坍塌，從而提高了循環(huán)壽命。碳材料作為負(fù)極材料雖然比容量小，但具有一定的電化學(xué)活性，結(jié)構(gòu)也較穩(wěn)定，且在充放電過程中體積變化相對較小，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性能，碳與硅的化學(xué)性質(zhì)相近，二者能緊密結(jié)合，因此硅和碳的復(fù)合可以達(dá)到改善硅的體積效應(yīng)、提高其電化學(xué)穩(wěn)定性的目的。綜合導(dǎo)電性、容量、改善效果及成本來看，硅-碳復(fù)合物是目前最有前景的改善策略。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是要克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種方法簡單、原料廉價(jià)的鋰離子電池硅-碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的以魔芋粉為碳源制備鋰離子電池硅-碳復(fù)合負(fù)極材料的方法，包括以下步驟：

步驟1：將0.5g納米硅粉分散到乙醇和水的混合溶液中，超聲分散得到懸濁液；

步驟2：將0.5-20g魔芋粉分散到10-500ml去離子水中，充分?jǐn)嚢瑁玫侥z狀物質(zhì)；

步驟3：將步驟1所得到的懸濁液緩慢加入到步驟2中所得到的凝膠狀物質(zhì)中，在磁力攪拌器上攪拌2-12h，制得樣品；

步驟4：將步驟3所得樣品干燥、研磨均勻得到棕黑色粉末；

步驟5：將步驟4所得棕黑色粉末在惰性氣體氛圍中于200-400℃條件下保溫1-4h，然后升溫至500-900℃，保溫1-8h，得到應(yīng)用于鋰離子電池的硅-碳復(fù)合負(fù)極材料。

所述步驟1中的納米硅粉的粒徑為50-500nm。

所述步驟1中的乙醇和水的混合溶液體積比為2:1-1:5。

所述步驟4中的樣品干燥的方法為干燥箱干燥或冷凍干燥。

所述步驟5中的惰性氣體為氮?dú)狻鍤饣驓鍤浠旌蠚狻?/p>

有益效果：由于采用了上述技術(shù)效果，本發(fā)明的硅-碳復(fù)合材料能應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下特點(diǎn)和顯著的優(yōu)勢：