[發明專利]植物纖維素改性硅/碳復合負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010097626.4
• 申請日: 2020-02-17
• 公開（公告）號: CN111211313B
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發明（設計）人: 馬少寧;王興蔚;侯佼;侯春平;賀超;楊丹
• 申請（專利權）人: 博爾特新材料（銀川）有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;C01B32/05;C01B33/02;H01M10/0525
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本發明涉及一種植物纖維素改性硅/碳復合負極材料及制備方法，該材料包括植物纖維素的碳化物、硅、石墨及熱解炭。利用植物纖維素表面多孔及其與PEG的相容性共同作用來增強硅粒子在纖維提取物表面的吸附，抑制納米硅粒子團聚，將植物纖維素經過高能球磨形成纖維狀片層結構，經過高溫處理形成纖維碳化后的層狀、軟碳結構，并以纖維層狀結構碳化物的形式摻雜在硅碳復合材料中，有效減小了硅在嵌/脫鋰過程中會產生的體積變化，抑制其在反復充放電過程中結構坍塌、粉化導致的電極材料之間失去電接觸使得容量迅速衰減，增強了復合材料的導電性能及其在充放電過程中的結構穩定性，從而提高硅/碳復合負極材料的循環性能。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池材料技術領域，具體地，涉及一種植物纖維素改性硅/碳復合負極材料的制備方法。

背景技術

負極材料作為鋰離子電池重要的組成部分，對電池性能和成本有重要意義。目前商業化的石墨基及其改性鋰離子電池負極材料占市場份額的97％以上，但比容量低、倍率性能差等缺陷限制了其在大型儲能裝置領域和動力電池領域的應用。

單質硅作為鋰電負極材料，其理論比容量為4200mAh/g，硅氧化物比容量也在2400-2700mAh/g之間，并且硅元素在地殼中的含量占地殼的26.4％，儲量非常豐富，安全無毒，因此硅材料作為鋰電負極材料有著低成本和環境友好方面的優勢。但是，作為負極材料，硅在嵌/脫鋰過程中會產生超過300％的體積變化，在反復充放電過程中會導致結構坍塌、粉化，使得電極材料之間失去電接觸，從而使固體電解質界面膜在電解液中無法穩定地存在，導致循環壽命降低和容量損失。此外，硅的低電導性，嚴重限制了其容量的充分利用和硅電極材料的倍率性能。

碳材料是硅基復合材料首選的活性基質之一，主要是因為碳材料的導電性能良好、體積變化小，此外，碳材料質量輕，來源豐富。硅材料包覆碳以后，可以增強材料的導電性能，減少硅納米顆粒之間的團聚以及材料的體積膨脹，且碳表面可以形成一層比較穩定的、光滑的固體電解質界面膜，從而在一定程度上增長循環壽命，提高倍率性能。目前，硅/碳復合負極材料雖已被小規模商業化應用，但其體積膨脹導致材料容量迅速衰減的缺陷仍沒有得到根本的改進。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于，對硅/碳復合負極材料進行改性，減小硅在嵌/脫鋰過程中會產生的體積變化，抑制其在反復充放電過程中結構坍塌、粉化導致的電極材料之間失去電接觸使得容量迅速衰減，從而解決硅/碳復合負極材料體積膨脹導致的材料容量迅速衰減的缺陷，提高其循環性能。

本發明提供了一種植物纖維素改性硅/碳復合負極材料，包括以下重量份組分：植物纖維素的碳化物1-3份、硅3-10份、石墨80-120份、熱解炭5-10份。

優選的，包括以下重量份組分：植物纖維素的碳化物1.7份、硅5份、石墨85份、熱解炭8.3份。

本發明還提供了一種植物纖維素改性硅/碳復合負極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)配制體積分數為1-100％的乙醇溶液備用；

(2)取40-100重量份的高聚物，高聚物中加入步驟(1)所制備的乙醇溶液，攪拌溶解得到高聚物溶液；

(3)在球磨罐中加入研磨球、3-10重量份的硅粉及步驟(2)所得的高聚物溶液，并用步驟(1)所制備的乙醇溶液容器并將洗滌液轉移至球磨罐，球磨分散1-10h后，再加入5-10重量份的植物纖維素，繼續球磨分散0.5-24h；

(4)將步驟(3)所得的球液混合料過濾分離，再用步驟(1)所制備的乙醇溶液沖洗研磨球并將沖洗液與過濾所得混懸液合并；

(5)將步驟(4)所得混懸液加熱沸騰，然后保持溫度在80-120℃條件下濃縮20-240min，以玻璃棒檢查濃縮液，當有少量拉絲狀時，停止加熱，并加入石墨80-120重量份，繼續攪拌蒸發溶劑至粘稠膏狀物；