[發明專利]一種鋰電池負極用高容量硅碳材料及制備方法

有效

• 申請號: 202011178747.8
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112234182B
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 劉艷俠;劉凡;曹相斌;申長潔;萬爽;阮晶晶;陳仕謀;張鎖江
• 申請（專利權）人: 鄭州中科新興產業技術研究院;中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/052;H01M10/0525
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 王紅培

本發明提供了一種鋰電池負極用高容量硅碳材料及制備方法，所述材料主要通過液相自組裝方式制備，碳化后在材料內部形成具有導電網絡的多孔結構，其中納米硅分布在材料內部，與碳中間體材料均勻結合在一起，同時周圍分布著均勻的導電劑，促進電子傳輸，材料外部包覆一層均勻修飾層，實現結構的密實與表面的均勻，起到緩沖內部材料膨脹，避免納米硅與電解液接觸提高材料穩定性的作用。本發明工藝新穎，制備的硅碳負極材料具有首效高、穩定性好等優勢，適于工業化生產。

技術領域

本發明涉及電化學領域，具體涉及一種鋰電池負極用高容量硅碳材料及制備方法。

背景技術

隨著移動電子產品和新能源汽車行業的快速發展，市場對電池的能量密度提出更高的要求，國家政策也大力推進高能量密度電池的發展與應用。

新能源行業將在未來持續高速發展，為動力電池發展提供了重大機遇，同時也提出了更高的要求。負極材料對動力電池性能的提升起到了重要的作用，傳統石墨負極的理論比容量低，已不能滿足高能量密度鋰離子電池的使用需求。硅材料理論容量高、脫嵌鋰電位適宜、放點平臺長、安全性好、自然豐度高，有望替代石墨成為下一代負極材料，具有廣闊的應用前景。

硅材料應用過程中的主要問題是硅嵌鋰后體積膨脹、固體電解質（SEI）持續生長不斷消耗鋰和電解液、極片粉化影響電池壽命；膨脹產生應力，極片擠壓斷裂等，尚沒有完美的解決方案。為解決硅的體積膨脹問題，常用且有效的方式是與碳材料復合，利用碳良好的機械性能與導電性緩沖硅的體積變化，同時改善材料導電性，如何實現硅的有效包覆與結構控制是需要解決的關鍵問題。

CN103474667B公開了一種硅碳復合負極材料及其制備方法，材料由內至外依次包括納米硅/石墨顆粒、第一碳包覆層和有機裂解碳層。內部的納米硅/石墨顆粒由噴霧干燥將納米硅均勻分散于石墨表面得到，然后進行化學氣相沉積包覆碳納米和/或無定形碳，在通過液相包覆法進行有機裂解碳二次包覆。兩次包覆有利于在復合材料表面形成更加緊密的包覆層，但是氣相沉積方式成本較高，生產效率低，同時使用噴霧造粒方式將納米硅與石墨復合，納米硅與石墨間的粘附力較差，多次循環后容易造成納米硅的脫落，不利于穩定性的提升。

CN102244240B公開了一種鋰離子電池硅碳復合負極材料及其制備方法，采用兩次噴霧干燥一次燒結處理制備而得，將有機碳源溶于適量溶劑中，加入硅源、分散劑和石墨碳，噴霧干燥后得到球形核材料，然后將球形核材料再次分散于有機碳源溶液中，進行二次噴霧干燥，然后進行燒結處理得到硅碳材料。兩次噴霧干燥有利于在表面形成穩定的包覆層，但是內部硅與石墨間的結合力較弱，同時兩次噴霧干燥增加了生產成本，降低了效率與產品產率。

發明內容

本發明提出了一種鋰電池負極用高容量硅碳材料及制備方法，該制備方法得到的硅碳負極在具有首效高、穩定性和倍率性能好的優勢，適用于動力電池負極，且工藝簡單，具有產業化前景，為鋰離子電池負極材料的技術改良和產品升級提供了技術參考。

實現本發明的技術方案是：

一種鋰電池負極用高容量硅碳材料，所述硅碳材料通過液相氫鍵誘導自組裝的方式形成，將納米硅表面修飾后與碳材料中間體在液相條件下混合，在氫鍵誘導作用下形成硅碳前驅體材料，然后進行結構修飾制備得到硅碳材料。

所述硅碳也主要分為內外兩層結構，其中納米硅分布在材料內部，與基底碳中間體材料均勻結合在一起，同時周圍分布著均勻的導電劑，在內部形成具有導電網絡的高孔隙結構，促進電子/離子傳輸，同時外部包覆一層均勻結構增強碳層，實現結構的密實與表面的均勻，起到緩沖內部材料膨脹，避免納米硅與電解液接觸提高材料穩定性的作用。

材料主要由納米硅與碳組成，納米硅與碳的質量比為（0.2~2）：1：其中碳包括基底碳、導電性碳、添加劑碳等組成。

所述的鋰電池負極用高容量硅碳材料的制備方法，包括以下步驟：