[發明專利]一種螺桿擠出機制備多孔鋰電池硅碳負極的方法

有效

• 申請號: 202010984775.2
• 申請日: 2020-10-22
• 公開（公告）號: CN112151769B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 陳慶;廖健淞;司文彬;李鈞
• 申請（專利權）人: 孫斌
• 主分類號: H01M4/1395
• 分類號: H01M4/1395;H01M4/04;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y40/00
• 代理公司: 北京同輝知識產權代理事務所(普通合伙) 11357
• 代理人: 饒富春

本發明屬于鋰電池負極制備技術領域，具體涉及一種螺桿擠出機制備多孔鋰電池硅碳負極的方法。方法包括：將苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯與納米硅粉在四氫呋喃和環己烷混合溶劑中超聲分散，加入正丁基鋰引發劑，在氬氣保護下反應，形成包覆納米硅顆粒，過濾干燥后加入去離子水，在紫外光照射下加乙酸溶液，獲得多孔PS膜包覆納米硅顆粒；將水溶性無機填料加入去離子水中配置為飽和溶液，將多孔PS膜包覆納米硅顆粒分散于飽和溶液中，蒸發除去水，使無機填料在納米孔中結晶；將蒸發后獲得的產物碳化。碳化后的產物與碳粉、粘結劑、石蠟潤滑劑混合后加入螺桿擠出機，反復擠出后將擠出的粉末置于去離子水中浸泡、干燥，獲得具有多孔結構的硅碳復合材料。

技術領域

本發明屬于鋰電池負極制備技術領域，具體涉及一種螺桿擠出機制備多孔鋰電池硅碳負極的方法。

背景技術

目前新能源領域的發展如火如荼，在移動電源領域，鋰離子電池已經逐漸取代了鉛酸電池和鎳氫電池，成為下一代可移動電源的領軍人物。但鋰離子電池同樣具有一些尚未解決的“痛點”，例如容量較低、充放電時間長、循環使用壽命較差的問題，負極材料的優化是解決這些問題的關鍵之一。當前商業化鋰離子電池的負極材料主要為人造石墨和天然石墨，但其理論比容量相對較低，難以滿足市場對大容量鋰離子電池的需求，而硅基材料具有較高的理論比容量，是石墨的最佳替代材料之一。

然而，硅基材料的天然缺陷制約了其商業化的推進過程，如循環過程中的體積變化較大，硅基材料本身導電性較差等問題。現有的解決方案主要為以碳為骨架，對硅基材料進行負載和包覆，以緩解其帶來的體積效應和導電性差的問題。

現有的硅碳復合技術中，通過多孔結構緩解其體積膨脹是一種較為理想的選擇，包括多孔硅填充碳或者多孔碳包覆硅兩種解決方向，申請號CN201810998286.5的專利申請公開了一種多孔硅碳負極材料及其制備方法和鋰離子電池，該多孔硅碳負極材料包括多孔硅碳材料和石墨材料；所述多孔硅碳材料為核殼式三層復合結構，包括內核和依次包覆于內核的中間層及最外層，所述內核為非晶態多孔硅氧材料SiOx，所述中間層為網狀導電劑包覆層，所述最外層為無定形碳包覆層。相比于現有技術，本發明通過核殼式三層復合結構設計，使得該多孔硅碳材料的體積膨脹大大降低、首次效率和循環性能得到顯著提升；而與石墨材料混合后，該多孔硅碳負極材料首次可逆比容量≥487.8mAh/g，首次效率≥87.86％，循環500次容量保持率≥94.6％，體積膨脹率≤19.51％。

申請號CN201811568780.4的專利申請公開了一種硅碳負極材料及其制備方法。本發明公開的硅碳負極材料的制備方法，以鎳單質和/或含鎳化合物為催化劑，對聚丙烯酸鹽包覆硅的材料進行碳化，得到硅碳負極材料。根據本發明制備方法得到的硅碳負極材料為石墨化多孔碳和無定形多孔碳均勻包覆硅的材料。由于含有石墨化多孔碳，第一方面，能使硅碳負極材料的導電性增加，有利于提高鋰電池的倍率性能；第二方面，能改善硅碳負極材料的機械性能；第三方面，能緩解硅碳負極材料在鋰離子電池使用中硅的粉化和體積膨脹。然而，這類多孔復合結構往往需要在較高的溫度下進行合成，工藝普遍較為復雜，而且合成過程難以有效控制其孔徑和孔隙率，導致負極材料生產的一致性相對較差。因此，針對多孔硅碳負極合成工藝的改進具有十分重要的實際意義。

申請號為CN201810396791.2的專利申請公開了一種硅碳負極材料制備方法，包括：研磨硅粉漿料，得到磨后硅粉漿料。對碳微粉進行石墨化處理，得到石墨化碳微粉。攪拌磨后硅粉漿料，在攪拌過程中持續向磨后硅粉漿料中加入石墨化碳微粉，加入包覆碳源，并進行超聲處理，并同時攪拌，然后進行噴霧干燥，得到硅碳微球。對硅碳微球進行碳化處理，得到碳化硅碳微球。對碳化硅碳微球進行刻蝕處理，然后對碳化硅碳微球洗滌干燥，得到多孔硅碳微球負極材料。一種多孔硅碳微球負極材料，其通過上述方法制造。本發明能制造出克容量高的多孔硅碳微球，并且其多次循環之后容量保持率高。