[發明專利]一種低成本制備石墨包覆納米硅鋰電池負極材料的方法

在審

• 申請號: 202011369100.3
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112421048A
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 陳慶;廖健淞;司文彬;李鈞
• 申請（專利權）人: 成都新柯力化工科技有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/38;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
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本發明提出一種低成本制備石墨包覆納米硅鋰電池負極材料的方法，所述方法是將膨脹石墨板材加入四氯化硅中加熱處理，獲得負載Si⁴⁺的改性膨脹石墨板，接著使用氫氣作為氣源進行等離子體處理獲得納米硅顆粒插層石墨板，再與金屬鋰片接入直流電源，在六氟磷酸鋰/碳酸乙烯酯溶液中進行鋰嵌入，之后將石墨板干燥、粉碎，得到石墨包覆納米硅鋰電池負極材料。本發明提供的石墨包覆納米硅鋰電池負極材料具有十分優異的分散性，同時可以有效抑制負極材料的體積膨脹，原料易得，成本低廉，工藝簡單，相比現有工藝具有明顯的成本優勢。

技術領域

本發明涉及鋰電池負極材料的技術領域，特別是涉及一種低成本制備石墨包覆納米硅鋰電池負極材料的方法。

背景技術

鋰離子電池兼有能量密度大、循環壽命長、工作電壓高等優點，是最具有前景的儲能技術之一。目前，鋰離子電池已經在便攜式消費類電子產品領域實現廣泛應用，同時也在電動汽車產業和電網儲能產業等領域展現出巨大潛力。鋰離子電池的容量決定于正極材料的活性鋰離子以及負極材料的可嵌脫鋰能力，正負極在各種環境下的穩定性決定電池的性能發揮，甚至嚴重影響電池的安全性，因此，電極的性能在一定程度上決定了鋰離子電池的綜合性能。

鋰離子電池電極材料中，目前商業化鋰離子電池負極材料主要為石墨類碳負極材料，石墨碳具有導電性能好，結晶度高，具有良好層狀結構，適合鋰的脫嵌，充放電比容量高的優勢，其理論比容量僅為372mAh/g，嚴重限制了鋰離子電池的進一步發展。硅基材料是在研負極材料中理論比容量最高的研究體系，理論比容量高達為4200mAh/g，因其低嵌鋰電位、低原子質量、高能量密度，被認為是碳負極材料的替代性產品。

然而，硅作為半導體材料，自身電導率較低，在電化學循環過程中，會使材料體積發生較大程度的膨脹和收縮，使材料逐漸粉化，結構坍塌，最終導致電極活性物質與集流體脫落，喪失電接觸，同時，納米硅在制備的過程中不可避免的會遇到納米硅粉的團聚，從而導致電化學性能降低。同時，納米硅原料的價格相對較高，作為鋰電池負極材料成本過高，難以實現商業化。因此，針對硅碳負極材料的分散性提高和降低原料成本需要進一步深入優。

中國發明專利申請號201210169022.1公開了一種鋰離子電池硅碳復合負極材料及其制備方法，制備方法包括：石墨分散液、硅研磨分散液制備，將硅研磨分散液加入到石墨分散液中，熱處理。中國發明專利申請號201410282686.8公開了一種硅碳負極材料的制備方法，包括如下步驟：（1）在化學氣相沉積反應室內放置催化劑；（2）加熱化學氣相沉積反應室，往化學氣相沉積反應室內通入反應氣體源和載氣，將化學氣相反應過程中產生的Si-SiO_x通過動態旋轉的經過羧基化處理的碳基體，制得硅碳負極材料的前驅體；（3）對前驅體進行有機熱解碳包覆處理，然后在非氧化氣氛中煅燒得到硅碳負極材料。中國發明專利申請號201210534860.4公開了一種石墨烯包覆硅碳復合負極材料的制備方法，其制備方法為：將納米硅、石墨微粉，均勻分散于氧化石墨烯的分散液中，噴霧干燥后，在惰性保護氣氛下進行熱處理，后隨爐冷卻，即得石墨烯包覆硅碳復合負極材料。

為了顯著提升鋰電池硅負極材料的分散性，抑制體積膨脹效應，同時有效降低硅負極材料的原料成本，有必要提出一種新型復合納米硅負極材料，進而促進鋰電池硅基負極材料的發展和應用。

發明內容

針對目前鋰電池硅基負極材料存在分散性較差、體積易膨脹以及原料成本高昂的問題，本發明提出一種低成本制備石墨包覆納米硅鋰電池負極材料的方法，從而提高了硅負極材料的分散性，有效抑制負極材料的體積膨脹，而且制備工藝簡單，降低了成本。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：