[發明專利]硅碳負極復合材料、其制備方法及鋰離子電池

在審

• 申請號: 202010311216.5
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111403723A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 武雅樂;張錦;孫丹萍;陳韻吉;譚芝;權瀅
• 申請（專利權）人: 北京石墨烯研究院有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/182
• 代理公司: 北京律智知識產權代理有限公司 11438
• 代理人: 李華;崔香丹

本發明提供一種硅碳負極復合材料的制備方法，包括：配制質量含量為0.1％～1％的氧化石墨烯懸濁液；將硅粉加入到所述懸濁液中進行均質，得到氧化石墨烯?硅粉混合液；將所述氧化石墨烯?硅粉混合液進行干燥，得到氧化石墨烯?硅粉復合材料；及將所述氧化石墨烯?硅粉復合材料在惰性氣氛下于600℃～1200℃下焙燒1～5h。還提供該方法制備的硅碳負極復合材料及包含它的鋰離子電池。本發明的制備方法中氧化石墨烯?硅復合材料在還原后保持石墨烯的片層少，片徑可控，擁有比機械剝離法制備的石墨烯?硅復合負極材料有更好的導電性能。本發明的制備方法均可采用工業化設備、所用的溶劑無毒、無污染，適合商業化、規?；a，且對環境友好。

技術領域

本發明屬于化學電源技術領域，具體涉及一種硅碳負極復合材料、其制備方法及鋰離子電池。

背景技術

鋰離子電池作為新一代的二次電池，因其能量密度高、開路電壓高、輸出功率大、低自放電、工作溫度范圍寬、充放電速度快、無記憶效應等優點，在儲能裝置、消費類電子產品等多領域被廣泛應用。隨著電動汽車行業的快速發展，對長循環壽命、高比容量、高倍率性能鋰離子電池的需求愈發強烈。

而制約鋰離子電池能量密度的進一步提高的一種材料是鋰離子電池負極材料，目前商業化的負極材料多為硬碳、軟碳、天然石墨、人造石墨、中間相微碳球等各種石墨類材料。石墨類碳負極材料比容量一般不超過360mAh/g(石墨的理論容量是372mAh/g，實際發揮容量為310～360mAh/g)，雖然目前石墨類負極材料在半電池中的實際脫鋰容量可以高達365mAh/g，但很難進一步提高，這與負極材料目前需要的比容量差距很大，越來越難以滿足市場需求。因此必須開發出一種新型高能量密度的負極材料代替石墨類材料。

研究發現，硅基材料的質量比容量大約是石墨材料質量比容量的10倍且硅基材料有很低的脫鋰電壓平臺，因此硅作為鋰離子電池的負極材料進行更深入的研究。但是硅碳負極在發生合金化反應時，伴隨相變的發生，同時會有巨大的體積膨脹(300％)，如此劇烈的體積變化會給硅基材料循環過程中帶來一系列的問題，從而使硅材料在電極片上發生破碎、粉化，電極涂層脫落等現象，最終造成容量快速衰減，嚴重地阻礙了其在鋰離子電池中的實際應用。同時，硅材料本身是半導體材料，相比較石墨類材料具有較差的導電性，這也嚴重阻礙了硅基負極的商業化應用。

專利CN105762360A通過將氧化石墨烯、硅粉超聲分散，冷凍干燥后得到的石墨烯包覆硅負極復合材料，雖然容量高，但是冷凍干燥后的材料較輕，二次粉碎困難，最終得到的硅碳負極材料粒徑控制不均勻。

專利CN104993109A通過超聲石墨烯分散液和納米硅粉分散液，最后抽濾離心后煅燒制備的硅碳負極材料。雖然工藝簡單，但是超聲、抽濾、離心難以實現工業化，只能停留在實驗室階段。

發明內容

為克服上述缺陷，本發明提供一種硅碳負極復合材料、其制備方法和包括該硅碳負極復合材料的鋰離子電池。

本發明一方面提供一種硅碳負極復合材料的制備方法，包括：將質量含量為0.1％～1％的氧化石墨烯進行乳化，形成所述氧化石墨烯分散均勻的懸濁液；將硅粉加入到所述懸濁液中進行均質，得到氧化石墨烯-硅粉混合液；將所述氧化石墨烯-硅粉混合液進行干燥，得到氧化石墨烯-硅粉復合材料；及將所述氧化石墨烯-硅粉復合材料在惰性氣氛或還原氣氛下于600℃～1200℃下焙燒1～5h。

根據本發明的一實施方式，所述氧化石墨烯-硅粉混合液中所述氧化石墨烯的層數少于10層，片徑的D₅₀小于5 00nm。

根據本發明的另一實施方式，所述懸濁液和所述混合液的溶劑為無水乙醇、超純水中一種或兩種。

根據本發明的另一實施方式，所述硅粉為微米硅粉、納米硅粉中一種或兩種。

根據本發明的另一實施方式，所述氧化石墨烯與所述硅粉的質量比為1:(0.1～0.3)。