[發明專利]一種鋰離子電池硅碳負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010148266.6
• 申請日: 2020-03-05
• 公開（公告）號: CN111342014A
• 公開（公告）日: 2020-06-26
• 發明（設計）人: 萬玲玉;周蘭;陳福平;李旺;閆海;黃奔
• 申請（專利權）人: 上海電氣集團股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 上海申新律師事務所 31272
• 代理人: 郎祺

本發明公開了一種鋰離子電池硅碳負極材料的制備方法，包括以下步驟：(1)將氧化亞硅置于剛玉舟中，在管式爐中煅燒，得歧化氧化亞硅；(2)將歧化氧化亞硅、碳源、氮源按一定質量比混合，加入適量去離子水，形成懸濁液；(3)將懸濁液敞口水浴加熱并劇烈攪拌，至水蒸干得殘渣；(4)將殘渣置于剛玉舟中，在管式爐中先低溫保溫，再高溫煅燒，得穩定長循環鋰離子電池硅碳負極材料。本發明還提供了一種鋰離子電池硅碳負極材料的結構為核殼結構，核為歧化氧化亞硅，殼為氮摻雜的碳包覆層。本發明制備方法簡單、成本低，提供的負極材料導電性強、具有優異的循環性能。

技術領域

本發明涉及鋰電子電池領域，尤其涉及一種鋰離子電池硅碳負極材料及其制備方法。

背景技術

近年來,隨著化石能源的日益減少和環境問題的日益嚴峻,鋰離子電池在電動汽車和儲能領域的應用越來越受到人們的關注。由于鋰離子電池相對于其它類型電池具有較高的能量密度和功率密度，被認為是目前最有前景的電能儲存設備。

然而,現有的鋰離子電池的能量密度和功率密度依然偏低,其安全性和循環壽命尚未達到未來電動汽車和儲能系統應用的要求。

目前商用鋰離子電池一般采用石墨作為負極材料，但石墨的理論比容量僅為372mAh/g，無法滿足能量密度要求較高領域的需求。因此，尋找可替代石墨的高比容量、長壽命的負極材料是鋰離子電池的一個重要研究方向。在眾多的負極材料中，硅材料具有出眾的嵌鋰容量，在電化學嵌脫鋰過程中不容易團聚，放電平臺高于目前廣泛應用的碳基材料，電極表面不易形成鋰枝晶等優點，因而備受關注。但硅在鋰離子嵌入/脫嵌過程中，會產生400％的體積膨脹以及很低的本征電導率等問題。同時，硅于常規電解液中不易產生固體電解質界面(SEI)膜，這導致初始電池庫倫效率很低、循環壽命短等問題。

CN106532010A用氮化硅納米線原位包覆納米硅，在采用石墨烯修飾氮化硅表面，形成硅-氮化硅-碳復合材料。專利在合成氮化硅包覆納米硅時需要1200-1400℃能耗大，氮化硅的包覆量20％使得包覆后硅的容量大幅下降，其最高克容量僅有512mAh/g，石墨烯難于分散并且價格居高不下，使得該方法經濟性較差。

CN1075079792A專利采用硅合金為原料，用酸洗的方式得到多孔硅，將多孔硅在與碳源混合燒結制備出硅碳復合材料。專利方法制備過程中需要用到酸洗，會產生大量的廢水，對環境污染大，其制備的硅基材料容量最高的僅為1086mAh/g，20次循環后容量保持率僅有83.4％。

CN108390049A提供最內層為硅粉，中間包覆層為碳化硅，最外包覆層為碳材料的復合負極材料。專利生成碳化硅需要高溫(1000℃)同時采用氣相包覆，對設備要求較高，經濟效益差，不利于大規模商業化推廣。

因此，為了克服現有技術的上述問題，需要提供一種電池硅碳負極材料具備良好的導電性和優越的循環性能，且制備要求低、成本低、步驟簡單。

發明內容

本發明為解決現有技術中的上述問題，提出一種鋰離子電池硅碳負極材料及其制備方法。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明的第一個方面是提供一種上述鋰離子電池硅碳負極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將氧化亞硅置于剛玉舟中，在管式爐中煅燒，得歧化氧化亞硅；

(2)將所述歧化氧化亞硅、碳源、氮源按一定質量比混合，加入適量去離子水，形成懸濁液；

(3)將所述懸濁液敞口水浴加熱并劇烈攪拌，至水蒸干得殘渣；

(4)將所述殘渣置于剛玉舟中，在管式爐中先低溫保溫，再高溫煅燒，得鋰離子電池硅碳負極材料。

優選地，步驟(2)中所述氮源選自三聚氰胺、脲中的一種或兩種。