[發(fā)明專利]一種金屬氧化物改性的微納硅-石墨復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011019339.8
• 申請(qǐng)日: 2020-09-25
• 公開（公告）號(hào): CN112125304B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李加新;黃永聰;黃偉健;林應(yīng)斌;黃志高
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 福建師范大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/21
• 分類號(hào): C01B32/21;C01B33/02;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 福州君誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 35211
• 代理人: 戴雨君

本發(fā)明屬于鋰離子電池電極材料的技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種金屬氧化物改性的微納硅?石墨復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法。該方法先將納米硅，金屬鹽，一定量的碳源以及適量的石墨粉末置入溶劑中，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬腿芙夂髶]發(fā)溶劑得到混合固體，將干燥后的混合物空氣中預(yù)氧化，最后將粉末在惰性氣體的氛圍中煅燒，得到金屬氧化物改性的微納硅?石墨復(fù)合負(fù)極材料。本發(fā)明提供了一種利用金屬氧化物來(lái)提升硅碳負(fù)極材料電導(dǎo)率和穩(wěn)定性的合成策略，合成出的硅碳負(fù)極材料粒度分布均勻，產(chǎn)率高且電化學(xué)優(yōu)良，適于工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池電極材料領(lǐng)域，具體涉及一種金屬氧化物改性的微納硅-石墨復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法。

技術(shù)背景

近年來(lái)，隨著包括5G網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的電子技術(shù)的飛速發(fā)展，相應(yīng)的電子產(chǎn)品對(duì)輕量化、大容量鋰電池的需求急劇增加。開發(fā)高性能鋰電池陽(yáng)極材料已是大勢(shì)所趨。理論比容量為372mAh/g的工業(yè)石墨在提高鋰電池的能量密度方面遇到了明顯的瓶頸。因此，硅(Si)材料因其4200mAh/g的理論容量和較低的放電電位而成為研究熱點(diǎn)。但是，它仍然面臨著材料固有性能和技術(shù)發(fā)展的桎梏；巨大的體積膨脹率(300％)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化，固體電解質(zhì)界面(SEI)不穩(wěn)定，容量衰減快，本征電導(dǎo)率差嚴(yán)重限制了鋰在硅陽(yáng)極中的擴(kuò)散速率，進(jìn)一步限制了鋰離子電池的性能。一些常用策略，包括表面改性，納米處理，引入碳納米材料和設(shè)計(jì)預(yù)留空間等，已經(jīng)被用來(lái)解決這些問(wèn)題。然而，這些工藝不可避免地降低了硅基復(fù)合材料陽(yáng)極的壓實(shí)密度和初始庫(kù)侖效率，導(dǎo)致材料膨脹率超過(guò)10％，從而延緩了工業(yè)化進(jìn)程。目前為止，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一種能夠穩(wěn)定生產(chǎn)低成本、高性能的硅基材料的合成策略。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決硅基負(fù)極材料存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種金屬氧化物改性的微納硅-石墨復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法，制備工藝簡(jiǎn)單，能制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且電化學(xué)性能優(yōu)良的硅碳負(fù)極材料。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的采用的技術(shù)方案是：

一種金屬氧化物改性的微納硅-石墨復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)分別將納米硅，金屬鹽，碳源以及石墨粉末溶于溶劑中，充分?jǐn)嚢璧玫交旌先芤海?/p>

2)將混合溶液置于60～90℃的水浴鍋中攪拌0.5～2小時(shí)以蒸發(fā)溶劑，得到混合物；

3)將混合物在200～300℃的空氣中預(yù)氧化1～3小時(shí)，升溫速率為1～5℃/分鐘；

4)將所得產(chǎn)物置于氣氛爐中，在惰性氣氛下煅燒，煅燒溫度為600～1000℃，升溫速率為2～10℃/分鐘，煅燒時(shí)間為0.5～5小時(shí)；煅燒完畢后隨爐降溫至室溫，得到微納硅-石墨復(fù)合負(fù)極材料。

步驟1)中，所述的納米硅的平均粒徑為100～300nm；優(yōu)選地，所述納米硅為納米硅晶體、納米硅非晶體中的一種或兩種的組合，優(yōu)選為單分散的納米硅顆粒。

所述的金屬鹽溶液為醋酸鋅、氫氧化鋯、鈦酸丁酯等可生成金屬氧化物的金屬鹽的一種或幾種。優(yōu)選的，所述的納米硅為單分散的納米硅顆粒。

所述的碳源包括聚丙烯酰胺、聚丙烯睛、聚苯胺、殼聚糖的一種或兩種。

所述的溶劑包括N，N-二甲基甲酰胺、無(wú)水乙醇的一種。

所述的石墨粉末為商用石墨。

所述的惰性氣氛為氬氣。

本發(fā)明制備得到的金屬氧化物改性的微納硅-石墨復(fù)合負(fù)極材料中，所述的硅納米顆粒的含量為10～30wt％，碳源熱解的碳含量為5～15wt％，石墨烯含量為25～45wt％，金屬氧化物含量為5～15wt％。