[發明專利]一種高容量硅碳負極活性材料及其制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201811158109.2
• 申請日: 2018-09-30
• 公開（公告）號: CN109301215B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 楊時峰;張大鵬;曹國林;劉萬;田占元;鄧增社
• 申請（專利權）人: 陜西煤業化工技術研究院有限責任公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

本發明公開了一種高容量硅碳負極活性材料及其制備方法及其應用，高容量硅碳負極活性材料的比容量為800～1500mAh/g，由硅碳材料與石墨類材料混合而成，硅碳材料由納米硅、鱗片石墨、碳納米管和碳源經過球磨、噴霧干燥和熱處理工藝制備得到微球狀顆粒，其中納米硅分散于鱗片石墨表面，碳納米管穿插于碳納米管和鱗片石墨形成的孔隙中，碳源的熱解碳包覆于納米硅表面、以及納米硅、鱗片石墨和碳納米管形成的球狀顆粒的表面及孔隙中；硅碳材料占高容量硅碳負極活性材料總質量的25％～80％。將該活性材料與導電劑、粘結劑進行均勻混合，涂布或沉積于銅箔、泡沫鎳、泡沫銅或碳纖維紙上用作鋰離子電池負極。本發明制備方法工藝簡單、成本低廉、適宜放大的制備長循環、硅碳材料。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及一種高容量硅碳負極活性材料(800～1800mAh/g)及其制備方法及其應用。

背景技術

近年來，隨著環境污染和能源短缺等形勢的日益加劇，以新能源汽車為代表的新興產業迅猛發展。鋰離子電池作為一種循環壽命長、功率密度高、自放電率低且綠色環保的動力電池迎來了新的機遇，同時也面臨巨大的挑戰。目前，動力鋰離子電池的能量密度和續航里程難以滿足電動車的使用需求。

石墨化碳材料是商業鋰離子電池最常用的負極材料，導電性好，循環穩定，但理論比容量僅為372mAh/g，極大的限制了電池的更新換代。硅基負極材料以其超高的理論比容量(Si4.4Li:4200mAh/g)受到業內的廣泛關注，但在電池充放電過程中伴隨有顯著的體積膨脹和收縮，導致電極易開裂、硅基負極材料與集流體分離，導致電極失效、容量嚴重衰退。設計具有良好骨架結構的硅碳材料是硅基材料研發的一大熱點，合理的孔結構可有效地緩解硅基負極材料的體積膨脹；良好的導電碳網絡保證硅材料與集流體的有效、穩定的連接，從而提高硅基負極的循環壽命。

現階段，為實現碳材料與納米硅的良好分散以及碳材料對納米硅的完整包覆，特別是制備高容量硅碳材料(比容量800mAh/g)，常需要對碳材料和納米硅的表面官能團進行修飾、或者通過氣相沉積等技術來實現，這些技術手段存在工藝復雜、成本高、產能低等問題，很難實現有效的工業放大，這阻礙了硅碳負極材料的產業化進程。如專利CN105226253A報道了一種納米硅顆粒-石墨片-碳納米管復合材料的制備方法，其中涉及納米硅的氨基修飾和石墨片、碳納米管的酸處理，該過程需要較長的回流時間且產量很低；專利CN103474667A則采用化學氣相沉積法包覆碳納米管和/或無定形碳。目前，化學氣相沉積法還難以實現納米硅在石墨上的均勻沉積，產品均一性差且存在產量低等問題。

發明內容

針對以上問題，本發明的目的是提供一種高容量硅碳負極活性材料及其制備方法及其應用，具有工藝簡單、成本低廉、易實現工業化生產，制備得到比容量高、循環壽命長的硅碳負極活性材料。

本發明為了解決高容量硅碳負極活性材料循環性能差且制備工藝復雜、產量低且成本高的問題，提供了以納米硅、微米鱗片狀石墨、碳納米管和熱解碳為原料，利用球磨和噴霧干燥等簡單易放大的技術，構建具有良好孔結構和導電網絡的硅碳材料；再與石墨材料搭配制備高容量、長循環的硅碳負極活性材料(800～1800mAh/g)的工藝方法。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種高容量硅碳負極活性材料，高容量硅碳負極活性材料的比容量為800～1500mAh/g，由硅碳材料與石墨類材料混合而成，其中，硅碳材料由納米硅、鱗片石墨、碳納米管和碳源經過球磨、噴霧干燥和熱處理工藝制備得到微球狀顆粒，其中納米硅分散于鱗片石墨表面，碳納米管穿插于碳納米管和鱗片石墨形成的孔隙中，碳源的熱解碳包覆于納米硅表面、以及納米硅、鱗片石墨和碳納米管形成的球狀顆粒的表面及孔隙中；所述硅碳材料占高容量硅碳負極活性材料總質量的25％～80％。

進一步的，所述硅碳材料占高容量硅碳負極活性材料總質量的40％～60％。

進一步的，所述硅碳材料中，納米硅的質量分數為40％～70％，鱗片石墨的質量分數為5％～25％，碳納米管的質量分數為5％～10％，碳源熱解碳的質量分數為15％～40％。