[發明專利]一種硅碳復合負極材料的制備方法及其制備的負極材料

在審

• 申請號: 202110143493.4
• 申請日: 2021-02-02
• 公開（公告）號: CN112768671A
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 韓飛;孔泥早;劉金水
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/42;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 濟南泉城專利商標事務所 37218
• 代理人: 李桂存

本發明屬于鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種硅碳復合負極材料的制備方法及其制備的負極材料。本發明采用氧化氣氛處理微米級工業硅粉進而獲得納米級的硅顆粒，通過第一碳源增加材料的電子導電性，提升硅顆粒的利用率，第二碳源構筑空腔結構，保持硅顆粒的結構穩定性，第三碳源增強一次顆粒之間的連接性，構筑完整的碳層保護外殼，提升材料的結構完整性；最后得到十微米級的大顆粒，更有利于用于工業化生產，其既具備實驗室中納米級的優勢，也具有工業化應用的條件。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種硅碳復合負極材料的制備方法及其制備的負極材料。

技術背景

鋰離子電池因其具有比能量高、循環壽命長、自放電效率低、安全性能好等諸多優點，被廣泛應用于軌道交通、電子通訊、可穿戴設備等行業領域。其中負極材料是影響鋰離子電池性能的關鍵因素，而現有的鋰離子電池負極材料主要采用天然石墨、人造石墨、中間相等石墨類材料居多。經過多年的研究，石墨類負極材料性能已基本接近理論比容量372mAh/g的水平，但是仍然不能滿足鋰離子電池在航空、汽車產業中的實際需求。因此，人們寄希望于開發新型的高比容量、長循環壽命的負極材料。

理論上硅的儲鋰比容量高達4200mAh/g,并且具有較低的嵌鋰電位和豐富的自然儲量，被認為是下一代高性能鋰離子電池的關鍵負極材料。然而，純硅的導電性較差，而且在形成鋰硅合金時產生較大的體積膨脹（大于300%），體積劇變會導致電極結構崩塌，活性物質脫落，進而使得極片循環性能下降，因而阻礙了硅負極作為鋰離子電池負極材料的規模化應用。

而如果采用硅碳復合材料作為鋰離子電池的負極材料，可以通過碳材料改善純硅導電性差的問題、一定程度上抑制硅體積膨脹的缺陷。但是現有的碳硅復合材料存在殼層結構強度差、循環穩定性不好的缺陷。究其原因，一是在于常規的硅碳材料其殼層結構僅僅只是通過簡單包覆制備，因此會存在包覆不均勻或包覆不完全的情況，導致硅材料裸露、硅材料與電解液頻繁接觸導致體積反復變化，造成殼層塌陷；二是并沒有針對硅的體積膨脹設計緩沖的空隙通道。因此，如何開發出一種新型的硅碳復合材料，能夠增強其殼層結構強度和緩解充放電過程中硅的體積膨脹，使其具有較好的循環穩定性，能夠滿足高性能負極材料的應用需求，是本領域技術人員研究的方向。

發明內容

本發明的目的是提供一種硅碳復合負極材料，具有較高的碳殼層強度，能夠有效緩解充放電過程中硅的體積膨脹，具有較好的循環穩定性，為硅碳負極材料的實用化提供一定的可行性選擇。

為了實現以上目的，本發明所采用的技術方案是：

一種硅碳復合負極材料的制備方法及其制備的負極材料，包括以下步驟：

（1）將工業硅粉洗滌、分散及干燥后，破碎后得到0.5-3μm的前驅體硅粉末；

（2）將步驟（1）前驅體硅粉通入含氧化氣氛的混合氣，得到硅的部分氧化物顆粒Si/SiO₂；

（3）在室溫下，將含碳粘合劑溶解，得到粘性液體；

（4）將步驟（2）所得產品過篩后和第一碳源加入到步驟（3）所的粘性液體中，攪拌得到固含量為20～60wt%的懸濁液漿料；

（5）將步驟（4）的懸濁液漿料進行噴霧造粒，得到粒徑分布在1～50μm之間的多孔球形顆粒，即二次結構顆粒；

（6）將步驟（5）的二次結構顆粒與第二碳源采用熱混煉或液相包覆的方式實現第二碳源的滲碳過程，然后碳化；

（7）將步驟（6）得到的產物與自制刻蝕液反應，刻蝕掉Si/SiO₂中的SiO₂成分，實現緩沖三維網絡空隙通道的構建，刻蝕后分離去除少部分破碎解體的顆粒；

（8）將步驟（7）所得到產物在惰性氣體中加熱，然后通入第三碳源，進行化學氣相沉積，實現碳殼層修補。

步驟（1）中所述分散劑為羧甲基纖維素鈉、硬脂酸、十二烷基苯磺酸鈉、十八胺，油胺中的一種或者兩種混合。。