[發(fā)明專利]一種添加到硅基負(fù)極中的多孔碳材料及硅基負(fù)極和鋰離子電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110332410.6
• 申請(qǐng)日: 2021-03-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113353911B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宮嬌嬌;黃建根;高明霞;許夢(mèng)清
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 萬(wàn)向一二三股份公司
• 主分類號(hào): C01B32/05
• 分類號(hào): C01B32/05;H01M4/62;H01M4/134;H01M10/0525
• 代理公司: 杭州杭誠(chéng)專利事務(wù)所有限公司 33109
• 代理人: 尉偉敏

本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，針對(duì)目前制備高級(jí)多孔結(jié)構(gòu)石墨材料應(yīng)用在硅基負(fù)極上成本高昂的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種添加到硅基負(fù)極中的多孔碳材料，公開(kāi)一種添加到硅基負(fù)極中的多孔碳材料，以生物質(zhì)材料為原料，經(jīng)高溫隔氧硬化、粒徑細(xì)化、低溫隔氧預(yù)碳化、混堿煅燒、清洗、干燥制成。本發(fā)明提供了一種可添加到鋰離子電池硅碳負(fù)極片中的多孔碳材料，利用廉價(jià)的生物質(zhì)原料經(jīng)特定工藝制成，獲得豐富的微孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)多孔碳的微孔結(jié)構(gòu)為硅材料體積膨脹提供了足夠的緩沖空間，提升鋰離子電池的循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種添加到硅基負(fù)極中的多孔碳材料及硅基負(fù)極和鋰離子電池。

背景技術(shù)

近幾十年來(lái)，先進(jìn)儲(chǔ)能裝置的發(fā)展使得鋰離子二次電池的能量密度不斷提高，盡管有許多新的探索性研究，硅材料由于高容量和資源豐富等特點(diǎn)，仍然被認(rèn)為是最有前途的負(fù)極材料。在這方面，近年來(lái)許多研究重點(diǎn)關(guān)注硅納米顆粒和石墨材料物理混合后得到的硅基負(fù)極，利用石墨材料的穩(wěn)定性緩解硅材料的體積膨脹，這就要求石墨材料具備良好的微觀多孔結(jié)構(gòu)，能夠提供足夠的緩沖空間降低充放電過(guò)程中硅材料膨脹帶來(lái)的機(jī)械應(yīng)力。

目前高級(jí)多孔結(jié)構(gòu)石墨材料制備時(shí)間長(zhǎng)，成本昂貴，難以擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模，因此亟需制備廉價(jià)的碳材料優(yōu)化硅碳硅基負(fù)極材料的電化學(xué)性能。而現(xiàn)有技術(shù)方案主要側(cè)重于硅材料界面化學(xué)成分的改善，沒(méi)有考慮對(duì)極片微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，關(guān)于硅材料與價(jià)格低廉的多孔碳材料復(fù)合的研究相對(duì)較少。比如中國(guó)專利申請(qǐng)CN201910907245.5的專利提出了一種鋰電池硅基負(fù)極材料的制備方法，即通過(guò)在原料中加入一定量合金減少硅基復(fù)合材料中晶區(qū)的比例，改善硅材料界面化學(xué)成分，來(lái)提高電極循環(huán)穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)目前制備高級(jí)多孔結(jié)構(gòu)石墨材料應(yīng)用在硅基負(fù)極上成本高昂的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種添加到硅基負(fù)極中的多孔碳材料，利用廉價(jià)的生物質(zhì)炭為原材料制備得到多孔碳材料，利用多孔碳的微孔結(jié)構(gòu)為硅材料體積膨脹提供了足夠的緩沖空間，從而提升硅基負(fù)極和鋰離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性，克服當(dāng)前高級(jí)多孔結(jié)構(gòu)石墨材料應(yīng)用困難的問(wèn)題。

本發(fā)明的另一目的在于提供使用該多孔碳材料的硅基負(fù)極，多孔碳材料添加到硅基負(fù)極中，替代部分石墨，提升硅基負(fù)極的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的再一目的還在于提供使用了該多孔碳材料或者含有該多孔碳材料的硅基負(fù)極的鋰離子電池，與一般的鋰離子電池相比具有更高的循環(huán)穩(wěn)定性。

本發(fā)明提供如下的技術(shù)方案：

一種添加到硅基負(fù)極中的多孔碳材料，所述多孔碳材料以生物質(zhì)材料為原料，經(jīng)高溫隔氧硬化、粒徑細(xì)化、低溫隔氧預(yù)碳化、混堿隔氧煅燒、清洗、干燥制成。

本發(fā)明的多孔碳材料可以采用廉價(jià)的生物質(zhì)為原料，經(jīng)上述過(guò)程處理后具備豐富的微孔結(jié)構(gòu)，可以為硅材料體積膨脹提供足夠的緩沖空間。

作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述高溫隔氧硬化為將生物質(zhì)材料在惰性氣氛中900～1000℃加熱保持40～60min。通過(guò)高溫隔氧硬化將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化成硬質(zhì)碳，可以提高后續(xù)研磨效果和均勻程度，短時(shí)間內(nèi)減少碳顆粒粒徑。

作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述粒徑細(xì)化后的物料粒徑為5～20μm。通過(guò)細(xì)化粒徑，控制平均粒徑5-20μm，保持電池良好的穩(wěn)定性。粒徑過(guò)大比表面積低，鋰離子脫嵌通道少，降低材料的可逆容量，粒徑過(guò)小比表面積高，充放電過(guò)程中負(fù)極表面副反應(yīng)速度快，降低了電池的循環(huán)壽命。在本技術(shù)方案中，具體的粒徑細(xì)化過(guò)程為：在室溫下將硬質(zhì)碳材料在球磨機(jī)中進(jìn)行研磨，球碳質(zhì)量比為1:20～30，每次研磨，研磨時(shí)間為25～35分鐘，每次研磨間隔時(shí)間為5～10分鐘。

作為本發(fā)明的優(yōu)選，所述低溫隔氧預(yù)碳化為將粒徑細(xì)化后的物料惰性氣氛下400℃～500℃預(yù)碳化3～6小時(shí)。研磨后多孔碳材料由大顆粒變?yōu)樾☆w粒，暴露更多的新鮮表面，低溫預(yù)碳化可以進(jìn)一步除去新鮮表面帶有的官能團(tuán)，使得氫氧化鉀或氫氧化鈉的腐蝕處理更加徹底，否則堿會(huì)和表面的官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，再與碳材料反應(yīng)，降低了腐蝕效果和速度。