[發明專利]一種人造石墨-硅復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202110206670.9
• 申請日: 2021-02-24
• 公開（公告）號: CN112928264A
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 葛傳長;仰永軍
• 申請（專利權）人: 內蒙古凱金新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 東莞恒成知識產權代理事務所(普通合伙) 44412
• 代理人: 韓丹

本發明涉及電池負極材料領域，特別是涉及一種人造石墨?硅復合材料，所述復合材料包括核心層和包覆層；所述包覆層均勻包在核心層的表面；所述核心層包括人造石墨和硅材料，硅材料鑲嵌在人造石墨與人造石墨粘接的復合顆粒結構的間隙中。本發明在碳化后，核心層中人造石墨的復合顆粒具有一定的間隙，這種間隙剛好讓硅材料鑲嵌其中并預留一定的緩沖空間，在重放電過程中，人造石墨的復合顆粒為骨架，硅材料提供高的容量；包覆層使得核心結構在電池極片制作過程中材料的結構不被破壞，保證結構的穩定性。本發明具有三維空隙結構，它能夠為硅的膨脹提高一定的緩沖空間，緩解材料在充放電過程中的體積效應，提高鋰離子電池的容量和循環，降低膨脹。

技術領域

本發明涉及電池負極材料領域，特別是涉及一種人造石墨-硅復合材料及其制備方法。

背景技術

目前商業化負極材料主要為天然石墨、人造石墨和中間相等石墨類材料，但因其理論容量較低(372mAh/g)，無法滿足于市場的需求。近年來，人們的目光瞄準新型高比容量負極材料：儲鋰金屬及其氧化物(如Sn，Si)和鋰過渡金屬磷化物。在眾多新型高比容量負極材料中，硅因具有高的理論比容量(4200mAh/g)而成為最具潛力的可替代石墨類材料之一，但是硅基在充放電過程中存在巨大的體積效應，易發生破裂和粉化，從而喪失與集流體的接觸，造成循環性能急劇下降。

因此降低體積膨脹效應、提升循環性能對硅基材料在鋰離子電池中的應用有重大意義。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供一種人造石墨-硅復合材料及其制備方法，具有三維空隙結構，它能夠為硅的膨脹提高一定的緩沖空間，緩解材料在充放電過程中的體積效應，提高鋰離子電池的容量和循環，降低膨脹。

本發明采用如下技術方案：

一種人造石墨-硅復合材料，所述復合材料包括核心層和包覆層；所述包覆層均勻包在核心層的表面；所述核心層包括人造石墨和硅材料，硅材料鑲嵌在人造石墨與人造石墨粘接的復合顆粒結構的間隙中。

對上述技術方案的進一步改進為，所述硅材料的含量為核心層總質量的55％-60％。

對上述技術方案的進一步改進為，所述硅材料采用納米級的硅、亞微米級的硅、一氧化硅或二氧化硅中的一種。

對上述技術方案的進一步改進為，所述硅材料的粒徑為50納米-1500納米。

對上述技術方案的進一步改進為，所述包覆層的材料采用瀝青、酚醛樹脂、環氧樹脂、煤焦油中的一種或多種；所述瀝青采用石油瀝青、煤系瀝青中的一種或兩種；所述酚醛樹脂包括苯酚、甲醛與鹽酸，所述環氧樹脂包括低分子量環氧樹脂與固化劑。

對上述技術方案的進一步改進為，所述包覆層的包覆方式包括液相包覆和固相包覆。

一種人造石墨-硅復合材料的制備方法，包括如下步驟：

將硅材料用高分子材料包覆，然后與人造石墨、包覆層的材料進行混合；

將上述混合料投入滾筒爐或者包覆釜中進行改性預處理；

將改性預處理的材料進行碳化即得人造石墨/硅復合負極材料。

對上述技術方案的進一步改進為，在所述將硅材料用高分子材料包覆，然后與人造石墨、包覆層的材料進行混合步驟中，所述高分子材料采用酚醛樹脂或者環氧樹脂中的一種。

對上述技術方案的進一步改進為，在所述將上述混合料投入滾筒爐或者包覆釜中進行改性預處理步驟中，滾筒爐升溫曲線為：1℃-2.5℃/min升溫至350-700℃，恒溫3-7h，然后冷卻至室溫；包覆釜升溫曲線為：1℃-2.5℃/min升溫至350-600℃，恒溫3-7h，轉速為65-70r/min，然后冷卻至室溫。