[發明專利]硅碳負極材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201911275577.2
• 申請日: 2019-12-12
• 公開（公告）號: CN111106333B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 陳玉成;王俊美;郝胐;袁偉
• 申請（專利權）人: 新奧石墨烯技術有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/134;H01M10/0525
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 肖陽

本發明公開了一種硅碳負極材料及其制備方法和應用，該方法包括：將硅粉與固態碳源加入V型混合機中混合；以噴霧形式向V型混合機中加入液態碳源，經進一步混合后得到混合物；將混合物送至高速破碎機，液態碳源被拉絲成膜包覆在硅粉和固態碳源混合物的表面，得到含包覆層的混合物；將含包覆層的混合物在惰性氣氛下進行焙燒，以便得到硅碳負極材料。采用該方法可制備得到硅與碳均勻分散且復合穩定的硅碳負極材料，并且可抑制硅在充放電過程中的膨脹，同時相比于采用現有制備工藝制備的硅碳負極材料具有更好的充放電性能、循環性能和充放電倍率性能，且該制備方法操作簡單，摒棄了傳統制備工藝的干燥工序，有利于工業化生產并降低生產成本。

技術領域

本發明屬于負極材料及其應用技術領域，具體而言，本發明涉及硅碳負極材料及其制備方法和應用。

背景技術

隨著汽車及動力儲能產品的不斷發展，高比能量的鋰離子電池成為了各個科研機構的首要研究課題。目前，鋰離子電池負極大多為石墨，其實際放電比容量已接近其理論值372mAh/g，且當循環次數較多時石墨的層狀結構容易剝離脫落，限制了石墨作為負極的鋰電池比能量和性能的進一步提升。然而正極以多元化發展，包括磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、三元(鎳鈷錳)復合材料及NCA(鎳鈷鋁)等。為了更好的配合正極材料的發展，單純的石墨材料已經難以滿足高比能量鋰離子電池的需求。

在眾多的材料中，硅因可以和鋰形成二元合金且具有很高的理論容量(4200mAh/g)而備受關注，且硅還具有低的脫嵌鋰電壓平臺(低于0.5V vs Li/Li⁺)、與電解液反應活性低、在地殼中儲量豐富、價格低廉等優點，是一種非常具有前景的鋰電池負極材料。但是硅作為鋰電池負極具有致命的缺陷，當充電時鋰離子可從正極材料脫出嵌入硅晶體內部晶格間，造成很大的膨脹(約300％)，形成硅鋰合金；而放電時鋰離子從晶格間脫出，又形成了很大的間隙。當單獨使用硅晶體作為負極材料時，在鋰離子脫嵌過程中硅晶體體積出現了明顯的變化，這樣的體積效應極易造成硅負極材料從集流體上剝離下來，導致極片露箔引起電化學腐蝕和短路等現象，進而影響電池的安全性和使用壽命。其次在首次充放電時同樣也會形成SEI膜包覆在硅表面，但是由于硅體積效應造成的剝落情況會引起SEI膜的反復破壞與重建，從而加大了鋰離子的消耗，最終影響電池的容量。

現有技術中結合碳材料和硅材料的優缺點，經常將兩者復合來使用，以最大化提高其實用性。在Si/C復合體系中，Si顆粒可作為活性物質，提供儲鋰容量，而C既能緩沖充放電過程中硅負極的體積變化，又能改善Si質材料的導電性，還能避免Si顆粒在充放電循環中發生團聚?，F有硅碳復合材料多通過液相法制備，液相法不僅涉及到干燥等后續工序，而且硅在碳源中分布不均勻，出現團聚現象，因而在充放電過程中，硅的體積膨脹會影響到納米硅與石墨烯片的結合穩定性。

因此，現有硅碳負極材料的制備工藝有待進一步改進。

發明內容

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種硅碳負極材料及其制備方法和應用。采用該方法可制備得到硅與碳均勻分散且復合穩定的硅碳負極材料，并且可抑制硅在充放電過程中的膨脹，同時相比于采用現有制備工藝制備的硅碳負極材料具有更好的充放電性能、循環性能和充放電倍率性能，且該制備方法操作簡單，摒棄了傳統制備工藝的干燥工序，有利于工業化生產并降低生產成本。

在本發明的一個方面，本發明提出了一種制備硅碳負極材料的方法，根據本發明的實施例，該方法包括：

(1)將硅粉與固態碳源加入V型混合機中混合；

(2)以噴霧形式向所述V型混合機中加入液態碳源，經進一步混合后得到混合物；

(3)將所述混合物送至高速破碎機，所述液態碳源被拉絲成膜包覆在所述硅粉和所述固態碳源混合物的表面，得到含包覆層的混合物；

(4)將所述含包覆層的混合物在惰性氣氛下進行焙燒，以便得到硅碳負極材料。