[發明專利]一種鋰離子電池用多孔核殼結構硅碳負極材料的及其制備方法

有效

• 申請號: 202010084393.4
• 申請日: 2020-02-10
• 公開（公告）號: CN111146430B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 胡亮;張少波;俞有康;張志權
• 申請（專利權）人: 馬鞍山科達普銳能源科技有限公司;安徽科達鉑銳能源科技有限公司;安徽科達新材料有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 馬鞍山市金橋專利代理有限公司 34111
• 代理人: 魯延生

本發明屬于鋰離子電池負極材料與電化學領域，具體涉及一種鋰離子電池用多孔核殼結構硅碳負極材料的及其制備方法，所述硅碳負極材料為多孔核殼結構，內核由納米硅和多孔碳均相復合形成，外殼是有機裂解碳源形成的碳包覆，本發明制備的多孔核殼結構硅碳負極材料，多孔碳為碳前驅體燃燒碳化形成，納米硅嵌入在多孔碳的孔隙中，本發明制備的負極材料比容量高，循環性能和大倍率性能充放電性能良好，且制備工藝簡單，成本低廉，適合產業化。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料與電化學領域，具體涉及一種鋰離子電池用多孔核殼結構硅碳負極材料的及其制備方法。

背景技術

現市面上常規的負極材料是石墨負極，其具有良好的循環性能和安全性能，已經廣泛應用于鋰離子電池的生產應用中，但石墨負極的理論比容量僅372mAh/g，已無法滿足高比容量鋰電池的需求。硅具有超高的理論比容量(4200mAh/g)和較低的脫鋰電位(0.5V)，且硅的電壓平臺略高于石墨，在充電時難引起表面析鋰，安全性能更好，現已成為了備受矚目的下一代大容量電池的負極候選材料。然而，硅在充放電時高達300％的體積膨脹，使其在充放電循環中會造成硅電極的粉化脫落，與集流體失去電接觸，最終導致電池失效，表現出極差的循環性能。

因此，開發一種工藝簡單，性能優異且環境友好的硅碳負極材料是鋰離子電池領域的重要研究方向。

發明內容

鑒于此，本發明針對現有技術存在的缺陷，主要目的是為了提供一種鋰離子電池用多孔核殼結構硅碳負極材料，其特征在于，所述硅碳負極材料為多孔核殼結構，內核由納米硅和多孔碳均相復合形成，外殼是有機裂解碳源形成的碳包覆，該方法的具體步驟為：

所述納米硅的粒徑為50～300nm，優選50～100nm；

所述多孔碳的孔隙率＞40％；

所述碳包覆層的厚度為0.1～10μm，優選5～10μm。

優選的，所述多孔核殼結構硅碳負極材料中含有30wt％～60wt％的納米硅，30wt％～45wt％的低殘碳碳源，5wt％～30wt％的碳包覆層。

優選的，所述負極材料的中值粒徑為10～20μm；所述負極材料的比表面積為3～5m²/g；所述負極材料的粉體壓實密度為1.4～1.6g/cm³。

本發明還涉及上述任一項所述鋰離子電池用多孔核殼結構硅碳負極材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

(1)納米硅漿料的制備：將硅粉原料和分散劑加入到有機溶劑中，混合均勻后，導入高能球磨機中，經惰性氣體保護，研磨5～100h，得到納米硅漿料；

(2)多孔碳的制備：將碳前驅體置于馬弗爐中，通入適當比例的氮氧混合氣體，升溫至700～1000℃，控制碳前驅體燃燒程度，得到多孔碳；

(3)漿料復合和均相分散：將步驟(2)中所得多孔碳加入到步驟(1)的納米硅漿料中，超聲振蕩，再利用高速分散機將復合漿料均相分散；

(4)霧化干燥：將步驟(3)中的復合漿料通過噴霧干燥，得到前驅體；

(5)碳包覆：將步驟(4)中得到的前驅體與碳源進行均相復合，通入惰性氣體保護，高溫燒結后，得到多孔核殼結構硅碳負極材料。

優先的，步驟(1)中所述的硅粉原料為單晶硅或多晶硅的一種，純度＞99.9％，中值粒徑為10～100nm，優選50～100nm；

所述分散劑為焦磷酸鈉，聚乙烯吡咯烷酮、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸鈉、纖維素衍生物、聚丙烯酰胺、古爾膠、脂肪酸聚乙二醇酯、聚丙烯酸二羥基苯乙胺中的一種或至少兩種的組合；

所述有機溶劑為甲醇、乙醇、丙醇、異丙醇、丙酮、呋喃、酰胺中的一種或至少兩種的組合；