[發明專利]一種高壓實硅碳負極前驅體材料及其高壓實硅碳負極材料

有效

• 申請號: 202010291253.4
• 申請日: 2020-04-14
• 公開（公告）號: CN111477850B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 楊時峰;曹新龍;張長安;胥鑫;薛孟堯;田占元
• 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;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 馬貴香

本發明提供了具有類馬鞍面結構的高壓實硅碳負極前驅體材料及其硅碳負極材料，硅碳負極前驅體材料由納米硅和碳材料復合而成，所述高壓實硅碳負極前驅體材料的顆粒具有一個或者多個凹陷的曲面，構成曲面的曲線中至少有一條曲線為焦點在顆粒外部的拋物線。制備方法為：將納米硅和碳源分散于溶劑中，攪拌均勻得懸浮液；納米硅粒徑為50～200nm，納米硅中氧含量為8.0wt.％～25.0wt.％；將懸浮液噴霧造粒，噴霧入口溫度150～190℃，出口溫度75～100℃；將噴霧造粒后的樣品于惰性氣氛下煅燒，得硅碳負極前驅體材料。本發明前驅體材料機械強度高，輥壓后顆粒結構仍保持完整，可獲得高壓實密度極片。

技術領域

本發明屬于二次電池技術領域，具體涉及一種高壓實硅碳負極前驅體材料及其制備方法和制備的高壓實硅碳負極材料。

背景技術

硅材料具有超高理論比容量(Li₂₂Si₅，4200mAh/g)、豐富的儲量和低廉的成本等優勢，成為當前鋰離子電池電極材料研發的重點和熱點。但硅材料在充放電過程中伴隨巨大的體積膨脹(高達300％)，易造成硅顆粒破裂或粉化，電接觸失效，電池性能急速衰退，這嚴重制約了硅負極材料的產業化道路。為了抑制和緩解硅負極的體積膨脹，主要通過硅的納米化、構建結構疏松多孔且顆粒分散良好的硅碳復合材料進行改善。在硅碳復合材料中，碳材料可以抑制納米硅的團聚和緩沖硅的體積膨脹；同時碳材料良好的電導性可有效地提高硅體積膨脹后的電接觸，從而有效地提高材料的電化學性能。但是目前的多孔類硅碳負極材料的松裝密度和壓實密度較低，不利于獲得高面載量的電池極片，另外在后期極片進行輥壓處理時，多孔結構極易發生破損、比表面積極具增大、電化學性能衰減嚴重，難以滿足商業化鋰離子電池應用的需求。因此亟需開發具有高壓實密度的高性能硅碳復合材料。

專利文獻CN105932245B提供了一種高壓實密度硅碳負極材料，該發明是將以粒徑小于200nm且表面有一層均勻包覆層的納米硅均勻分散在多孔硅碳球內部，硅碳復合材料為多孔的球形結構。專利文獻CN109360946B提供了一種高壓實密度硅碳負極材料制備方法，具體是通過多次混合包覆工藝解決表面碳包覆不均和不完整的問題，解決了硅碳負極難以提高壓實密度的難題。目前研發的硅碳復合材料均可以定義為由核心層和包覆層組成的顆粒，核心層為納米硅、碳均勻分散的復合材料，即硅碳負極的前驅體材料，經過后續的包覆工藝獲得較低的比表面積從而制得可商業化應用的硅碳復合負極材料。上述專利文獻中除優化納米硅、碳的分散和復合外，提高材料壓實密度的工作集中在包覆層的優化工藝方面，該方法包覆層對核心層具有結構加固作用，但只能在一定程度上提高成品材料的機械性能；因核心層材料機械性能未有本質提高，在更高壓實密度的極片制造過程中，核心層難以承受包覆層傳遞過來的強大壓力時，仍會出現結構破損甚至坍塌。

發明內容

針對現有技術中電池極片制作過程的輥壓工序中，硅碳材料易出現顆粒破損、復合結構坍塌的問題。本發明提供了具有類馬鞍面結構的高壓實硅碳負極前驅體材料及其制備方法和制備的硅碳負極材料，該前驅體材料具有高機械強度和高壓實密度，有助于提升電池的循環性能和能量密度。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種高壓實硅碳負極前驅體材料，所述高壓實硅碳負極前驅體材料由納米硅和碳材料復合而成，所述高壓實硅碳負極前驅體材料的顆粒具有一個或者多個凹陷的曲面，構成曲面的曲線中至少有一條曲線為焦點在顆粒外部的拋物線。

優選的，納米硅在高壓實硅碳負極前驅體材料中的含量為25.0wt.％～85.0wt.％。

一種高壓實硅碳負極前驅體材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟1，將納米硅和碳源分散于溶劑中，攪拌均勻制得懸浮液；納米硅粒徑為50～200nm，納米硅中氧含量為8.0wt.％～25.0wt.％；

步驟2，將懸浮液噴霧造粒，噴霧入口溫度為150～190℃，出口溫度為75～100℃；