[發(fā)明專利]一種新型的有機小分子包覆的硅負極材料的合成方法

有效

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• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111525107B
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設計）人: 湯昊;譚龍;應進;孫潤光
• 申請（專利權(quán)）人: 南昌大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/60;H01M10/0525
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 許瑩瑩

本發(fā)明屬于鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種新型的有機小分子包覆的硅負極材料的合成方法。本發(fā)明的合成方法是：將一定質(zhì)量的有機小分子物質(zhì)分散溶解在溶劑中，所得溶液與硅材料粉末進行攪拌混合，并在25℃～150℃溫度下反應20min～720min；完成反應的渾濁液體經(jīng)過濾，用上述溶劑多次洗滌以及過濾干燥后得到有機小分子包覆的硅負極材料。本發(fā)明所公開的合成方法具有合成周期短，能耗少以及對環(huán)境友好等優(yōu)點，且所合成的有機小分子包覆的硅負極材料展現(xiàn)出高比容量和首次庫倫效率，循環(huán)穩(wěn)定性好以及成本低等特點，適用于高能量密度鋰離子電池。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池電極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種新型的有機小分子包覆的硅負極材料的合成方法。

背景技術(shù)

隨著相關(guān)工業(yè)技術(shù)的成熟和發(fā)展，鋰離子電池給人們生活帶來了越來越多的便利，成為人們生活中不可或缺的一部分。另一方面，電動工具和儲能系統(tǒng)的不斷換代更新以及電動汽車的發(fā)展，都對下一代高性能鋰離子電池提出了越來越高的要求。

在鋰離子電池負極材料方面，目前商業(yè)化的電池依舊主要采用安全性能和穩(wěn)定性更好的石墨類碳負極材料，其理論比容量為372mAh/g。雖然商業(yè)化的高品質(zhì)石墨材料實測容量已達365mAh/g，接近其理論容量，但是這仍不能滿足各應用領(lǐng)域?qū)︿囯x子電池能量密度提出的新要求。因此，具有高理論容量的(室溫理論容量3580mAh/g)，相對較低的生產(chǎn)成本以及適中電壓平臺(～0.4V vs Li/Li⁺)的硅材料被認為是極具前景的下一代鋰離子電池極負極材料。但是，硅材料在脫嵌鋰的過程中存在嚴重的體積效應(體積膨脹率大于300％)，導致其相關(guān)電極粉化從集流體剝離，從而使得離子傳導受阻并難以形成穩(wěn)定的固液相界面，嚴重的損害著電池的電化學性能。

為了解決這些問題，目前領(lǐng)域類最常見的方法為合成表面碳包覆的硅負極材料(Si/C)。表面包覆碳的存在可有效增強硅負極材料的電導率并抑制脫嵌鋰過程所產(chǎn)生的體積效應，全面的提升了硅負極材料包括首次庫倫效率和循環(huán)穩(wěn)定性在內(nèi)的各方面電化學性能。例如，專利CN 106299277 A以納米硅粉均勻分散于石墨表面的復合材料為內(nèi)核，外殼為瀝青基作為碳源包覆的無定形碳層，對硅顆粒進行瀝青包覆，大大緩解了硅顆粒的體積膨脹。本發(fā)明將硅材料與有機分子作用合成了具有核殼結(jié)構(gòu)的硅/有機分子負極材料，其中核心材料硅具有很好的儲鋰能力，殼材料有機小分子可有效抑制硅的體積膨脹并增強其與電解液的親和力。與表面包覆碳材料相比，有機小分子可與硅表面通過化學鍵進行更穩(wěn)固的結(jié)合，有效增強材料穩(wěn)定性。在材料合成方面，硅/有機小分子負極材料的合成溫度低，步驟簡單，對設備要求低，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述硅負極材料充放電過程所存在的體積膨脹問題，提供了一種高比容量和首次庫倫效率，循環(huán)穩(wěn)定性好以及成本低的硅負極材料的合成方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供了一種新型的有機小分子包覆的硅負極材料的合成方法，包括以下步驟：

(1)將一定質(zhì)量的有機小分子物質(zhì)分散溶解在溶劑中，所得溶液與硅材料粉末進行攪拌混合，并在25℃～150℃(優(yōu)選45℃～95℃)溫度下反應20min～720min(優(yōu)選30min～120min)；所述有機小分子物質(zhì)至少含有氨基或羧基官能團的一種且分子量在50g/mol～300g/mol范圍(優(yōu)選70g/mol～200g/mol)；

(2)完成反應的渾濁液體經(jīng)過濾，用上述溶劑多次洗滌以及過濾干燥后得到有機小分子包覆的硅負極材料。

更優(yōu)的，所述有機小分子物質(zhì)為丁胺，二乙胺以及苯丙炔酸中的至少一種，優(yōu)選苯丙炔酸。

更優(yōu)的，所述步驟(1)中的有機小分子物質(zhì)與硅材料的質(zhì)量比為0.002～1，優(yōu)選0.1～0.5。

更優(yōu)的，所述步驟(1)中的溶劑為水，無水乙醇，異丙醇以及乙二醇中的至少一種，優(yōu)選無水乙醇和異丙醇。