[發(fā)明專利]一種高容量的硅碳材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112421002B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 喬喬;王圓方;李興月;平國政;高川;梁運輝
• 申請（專利權(quán)）人: 成都愛敏特新能源技術(shù)有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 成都熠邦鼎立專利代理有限公司 51263
• 代理人: 李曉英

本發(fā)明涉及一種高容量的硅碳材料及其制備方法，該硅碳材料以硅材料為核，以摻有導(dǎo)電劑的碳層為殼。該制備方法包括：S1，將硅源、包覆劑以及導(dǎo)電劑混合均勻，得混合物料；S2，融合所述混合物料；S3，高溫包覆處理；S4，高溫炭化處理。本發(fā)明在融合過程中可使硅源、包覆劑和導(dǎo)電劑更均勻、更緊密的粘結(jié)，導(dǎo)電劑的添加可增強硅碳材料的導(dǎo)電性，融合過程可以避免導(dǎo)電劑顆粒之間的團聚，使其均勻分散，同時通過表面高溫動態(tài)包覆，硅源的外層的包覆劑可對暴露的硅源進行表面修飾，且碳表面可形成一層較穩(wěn)定的、光滑的固體電解質(zhì)界面膜，因此制備的硅碳材料可具備高的容量及效率，并且良好的包覆層可有效的緩解硅碳材料的體積膨脹，使循環(huán)性能得到提升。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高容量的硅碳材料及其制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長和環(huán)境污染少等優(yōu)點，成為世界各國研究的重點，并且在電腦、手機和其他便攜式電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。然而，隨著電動汽車和先進電子設(shè)備的快速發(fā)展，對鋰離子電池的能量密度提出了更高的要求。如何提高鋰離子電池的能量密度，關(guān)鍵在于電極材料的改善和性能的提高。

目前，商用鋰離子電池的負極材料以石墨類材料為主，由于其理論比容量較低（比容量只有372mAh/g），且倍率性能不佳。因此，科學(xué)家們致力于研究新型的高容量負極材料，硅由于具有很高的理論比容量（4200mAh/g）而備受關(guān)注，其脫嵌鋰電壓平臺低（0.5V），與電解液反應(yīng)活性低，在地殼中儲量豐富，而且價格低廉，作為鋰離子電池負極材料，具有廣泛的發(fā)展前景。然而，硅在脫嵌鋰過程中體積發(fā)生巨大的變化（300%），導(dǎo)致活性物質(zhì)在充放電循環(huán)過程中發(fā)生急劇粉化脫落，使得電極活性物質(zhì)和集流體之間喪失電接觸。同時，由于硅材料的巨大體積膨脹，使得固體電解質(zhì)界面膜在電解液中無法穩(wěn)定地存在，導(dǎo)致循環(huán)壽命降低和容量損失。此外，硅的低電導(dǎo)性，嚴(yán)重限制了其容量的充分利用和硅電極材料的倍率性能。

專利文獻CN103441250A公開了一種鋰離子二次電池負極材料，該負極材料是以含硅氧化物為原料，與石墨和瀝青充分混合，添加導(dǎo)電金屬鹽，經(jīng)高能球磨和高溫?zé)崽幚碇苽涞玫降摹Ｔ搶＠墨I中使用氧化亞硅(SiO)為原料制得材料，雖改善循環(huán)和電導(dǎo)特性，但可逆容量在650mAh/g在左右，首次效率卻不足70％。

專利文獻CN103474631A公開了一種氧化亞硅復(fù)合負極材料，其包括氧化亞硅基體、均勻沉積在氧化亞硅基體上的納米硅材料及氧化亞硅/納米硅表面的納米導(dǎo)電材料包覆層。所述氧化亞硅復(fù)合負極材料的制備方法包括納米硅化學(xué)氣相沉積、納米導(dǎo)電材料包覆改性、過篩和除磁處理。所述氧化亞硅復(fù)合負極材料雖對SiO復(fù)合材料比容量(1600mAh/g)和首次庫侖效率(80％)有一定程度上的改善，但是，該氧化亞硅復(fù)合材料是在SiO材料原有組分構(gòu)造的基礎(chǔ)上，人為通過物理結(jié)合的方式在SiO顆粒表面引入了體積膨脹比較大的納米硅材料，晶粒較大難控制，且分散性較差，硅材料本身所帶來的巨大體積膨脹問題得不到有效的緩沖而無法避免，且循環(huán)性能較差。

因此，對于硅碳材料，在維持材料體系原有組分構(gòu)造，保證其較低的體積效應(yīng)的同時，大幅提升它的容量發(fā)揮和首次庫侖效率、同時改善其電導(dǎo)特性、循環(huán)性能以及進一步降低它的體積膨脹是所屬領(lǐng)域的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題提供一種高容量的硅碳材料及其制備方法。

本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種高容量的硅碳材料，以硅材料為核，以摻有導(dǎo)電劑的碳層為殼。

優(yōu)選地，所述硅材料為硅粉和/或氧化亞硅。

進一步優(yōu)選地，所述碳層的原料為葡萄糖、蔗糖、高溫瀝青、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、酚醛樹脂、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚丙烯酸、聚丙烯酸鋰、聚苯胺中的至少一種。

進一步優(yōu)選地，所述導(dǎo)電劑選自碳納米管、富勒烯、石墨烯、石墨和炭黑中的至少一種。