[發(fā)明專利]一種制備硅-碳復(fù)合材料的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810830729.X
• 申請日: 2018-07-26
• 公開（公告）號: CN108736006B
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 洪若瑜;高茂川;王芳芳;王為旺
• 申請（專利權(quán)）人: 福州大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 福州元?jiǎng)?chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊;甘垚

本發(fā)明公開了一種制備硅?碳復(fù)合材料方法，將塊狀多晶硅原料機(jī)械破碎后，使用干法研磨和超微粉碎技術(shù)研磨至粉末，在水溶性表面活性劑的輔助下，通過多級研磨制得納米硅漿料；使用真空勻漿技術(shù)將適當(dāng)比例的石墨烯與納米硅混合均勻，再通過噴霧干燥、造粒和過篩等過程，得到硅?碳復(fù)合材料。本發(fā)明在制備納米硅過程中不需使用有毒試劑，且不需要酸溶、刻蝕和洗滌等復(fù)雜過程，清潔環(huán)保、產(chǎn)品純度高，是最有效率且最合乎經(jīng)濟(jì)效益的方法；而真空勻漿、噴霧干燥、造粒、過篩等都是工業(yè)化成熟的操作，即此方法可以實(shí)現(xiàn)硅?碳復(fù)合材料的規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)，且通過設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，制備不同性能的硅碳材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰電池負(fù)極材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種制備硅-碳復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)

伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化和化石燃料的大量使用，環(huán)境污染和能源短缺的問題日漸突出。尋求新的可替代、可再生、可持續(xù)的新能源是重要的發(fā)展方向，鋰離子電池作為新能源領(lǐng)域的一個(gè)重要代表，已被廣泛地應(yīng)用于生活、生產(chǎn)、軍事和科研等多個(gè)領(lǐng)域。而提高鋰離子電池的比容量、改善它的循環(huán)性能和延長電池壽命，已經(jīng)成為鋰離子電池未來發(fā)展的重點(diǎn)，負(fù)極材料的電化學(xué)性能對鋰離子電池的工業(yè)化和發(fā)展前景有著舉足輕重的作用。

負(fù)極材料是鋰離子電池的關(guān)鍵材料之一，從鋰離子電池的發(fā)展簡史來看，負(fù)極材料的發(fā)展促使鋰離子電池進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用。最初的鋰離子電池采用的是金屬鋰為負(fù)極材料，但金屬鋰在充電時(shí)容易產(chǎn)生鋰枝晶而導(dǎo)致起火或爆炸等安全問題。后續(xù)開發(fā)了鋰合金材料，期望解決上述的安全性問題，但合金材料在嵌鋰和脫鋰時(shí)容易發(fā)生體積膨脹，導(dǎo)致循環(huán)性能下降。經(jīng)過進(jìn)一步的研究和比較，最終選擇了石墨化的碳作為鋰離子電池的商業(yè)化負(fù)極材料。碳質(zhì)材料主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：比容量較高、電極電位低、循環(huán)效率高、循環(huán)壽命長，但隨著新能源汽車在實(shí)際應(yīng)用中對續(xù)航里程要求的不斷提高，動(dòng)力電池相關(guān)材料也向著更高能量密度的方向發(fā)展。傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨負(fù)極已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有需求，高能量密度的負(fù)極材料成為企業(yè)追逐的新熱點(diǎn)。

石墨烯，因其具有優(yōu)異的熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)等方面具有重要的應(yīng)用前景，自2004年英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法首次從石墨中獲得石墨烯之后，各國均大力投入對石墨烯的研究。近年來研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有優(yōu)異的電子傳導(dǎo)性能，可在電極材料顆粒間構(gòu)成三維電子和離子傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。而鋰離子電池充放電速度是由鋰離子在電極中的傳輸和脫嵌速度所決定，即石墨烯材料應(yīng)用到鋰電池中，可大幅度提升鋰離子電池的充放電速度，實(shí)現(xiàn)電池技術(shù)的巨大突破，并將推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)躍進(jìn)式發(fā)展。

然而，這種鋰離子電池受制于石墨烯制備過程的復(fù)雜性，成本較貴；而且石墨烯材料雖具有非常高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱速率，但作為鋰電池負(fù)極材料時(shí)，存在首次循環(huán)庫侖效率低、充放電曲線滯后嚴(yán)重等問題，因此很難單獨(dú)作為電極材料使用。盡管如此，若石墨烯獨(dú)特的柔性結(jié)構(gòu)與高容量金屬或其它納米粒子復(fù)合，用作負(fù)極材料，則具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

關(guān)于鋰離子電池負(fù)極的石墨烯基復(fù)合材料的研究報(bào)道較多，主要是與金屬、金屬氧化物或硅等的復(fù)合。而硅是目前眾多負(fù)極材料中能量密度最高的，石墨烯粉體的加入可以克服硅負(fù)極材料在電池充放電儲鋰過程中由于體積劇烈膨脹、發(fā)生粉碎，進(jìn)而導(dǎo)致電池壽命縮短和循環(huán)穩(wěn)定性變差的問題。同時(shí)硅材料的比容量可達(dá)4200 mA·h/g，并且硅材料儲量豐富、價(jià)格較低、綠色無毒；即石墨烯和硅材料都具有作為鋰離子電池負(fù)極的某些優(yōu)點(diǎn)，二者結(jié)合可以彌補(bǔ)各自的不足，發(fā)揮各自優(yōu)勢，制備出高性能鋰電池負(fù)極材料。這種硅-石墨烯復(fù)合材料必將在高能量密度、高功率密度要求的動(dòng)力鋰離子電池領(lǐng)域獲得應(yīng)用，大大提升動(dòng)力電池的綜合性能，推動(dòng)電動(dòng)工具、新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展。