[發明專利]一種硅碳負極材料及制備方法

在審

• 申請號: 202110890749.8
• 申請日: 2021-08-04
• 公開（公告）號: CN113644252A
• 公開（公告）日: 2021-11-12
• 發明（設計）人: 馬越;白苗;湯曉宇;王鶴林
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/05;C01B33/021
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發明涉及一種硅碳負極材料及制備方法，質量百分比由以下組分組成：微米硅粉10％～50％，瀝青90％～50％，以上組分質量百分比之和為100％；原料為微米級硅粉，價格低廉，通過高能球磨得到粒度均勻的納米硅粉，能有效改善硅在循環過程的體積效應；球磨過程中加入分散劑用于抑制納米硅粉團聚，實現有效分散；瀝青與硅粉均勻混合，實現瀝青衍生碳的均勻包覆，抑制硅在嵌鋰、脫鋰過程中的體積膨脹，同時提高了硅與集流體之間的電接觸；最終提高硅碳負極材料用于鋰離子電池的首次可逆容量，提高電池循環穩定性；本發明硅碳負極復合材料的制備方法，操作簡單，成本低，易實現工業化。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池制備技術領域，涉及一種硅碳負極材料及制備方法。

背景技術

鋰離子電池因其優異的性能已經在便攜式消費電子、電動工具、醫療電子等領域獲得了廣泛應用。同時，在純電動汽車、混合動力汽車以及儲能等領域也顯示了良好的應用前景。現在商業化的鋰離子電池主要是以石墨為負極材料。但是，近年來各個領域對電池能量密度的需求飛速提高，迫切需要開發出更高能量密度的鋰離子電池。所以開發更高能量密度的負極材料迫在眉睫。

硅材料的質量比容量最高可達4200mA h g^-1(Li₂₂Si₅)，較低的儲鋰反應電壓平臺，是目前已知能用于鋰離子電池負極理論比容最高的材料。并且硅材料環境友好、儲量豐富、成本較低，因此硅基負極材料是一類極具發展前景的新型高能材料。然而，硅的電子電導率和離子電導率較低，導致其電化學反應的動力學性能較差；更重要的是，硅在鋰化過程中的相變和體積膨脹會產生較大的應力，致使電極斷裂粉化、電阻增大、循環性能驟降。將納米硅與碳質材料復合能夠提高硅碳負極材料的電導率，并且碳質材料也可以作為緩沖基質，為硅的體積變化提供一定的緩沖作用。但由于納米硅比表面積較大，易發生團聚，所得硅碳復合材料中硅往往分布不均，使其對負極材料電化學性能的改善有限。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種硅碳負極材料及制備方法。

本發明的目的之一在于提供一種硅碳負極材料，可有效提高電池循環穩定性；

本發明的目的之二在于提供一種硅碳負極材料的制備方法，操作簡單，成本低，易實現工業化。

技術方案

一種硅碳負極材料，其特征在于組分的質量百分比為：納米硅粉10％～50％，瀝青衍生碳90％～50％，以上組分質量百分比之和為100％；其中，納米硅粉鑲嵌于瀝青衍生碳中，納米硅粉的粒度不大于200nm。

所述瀝青衍生碳的前驅體為軟化點為250℃石油瀝青。

一種制備所述硅碳負極材料的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將微米硅粉分散于乙醇中，并加入分散劑，混合均勻后加入球磨罐中球磨，得到納米硅粉乙醇混合物；所述硅和乙醇的比例為20％～30％；所述分散劑為硅粉質量的0.5％～1％；所述納米硅粉的粒度不大于200nm；

步驟2：稱取瀝青，加入納米硅粉乙醇混合物中攪拌，得到硅瀝青混合物；所述納米硅粉和瀝青的比例為1︰10～1︰1；

步驟3：將硅瀝青混合物置于噴霧干燥機中進行噴霧干燥，得到硅瀝青噴霧中間體；噴霧干燥進風溫度為150℃～190℃，出風溫度為70℃～90℃；

步驟4：將硅瀝青噴霧中間體置于包覆機進行預加熱，得到硅碳前驅體；所述預加熱：先升溫到600℃～700℃后保溫1h～2h，再繼續升溫到750℃～850℃后保溫2h～4h，升溫速度為5℃/min～10℃/min，加熱氣氛為惰性氣體；

步驟5：將硅碳前驅體進行高溫燒結，即得到硅碳負極材料；所述高溫燒結的燒結溫度為850℃～950℃，保溫時間為1h～3h，加熱氣氛為惰性氣體。