[發(fā)明專利]一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法與應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210358605.2
• 申請日: 2022-04-06
• 公開（公告）號: CN114744172A
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙娟;陳耀庭;付駿豪
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東海洋大學(xué)
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京知元同創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11535
• 代理人: 謝蓉;謝怡婷

本發(fā)明屬于鋰離子電池用負(fù)極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明在納米硅、石墨和有機(jī)碳的混合體系中加入有機(jī)模板劑，有機(jī)模板劑在碳化過程中生成金屬氧化物和無定型碳，之后通過酸洗脫除金屬氧化物，得到富含有孔隙的納米硅?石墨?無定型碳混合顆粒，這些孔隙為納米硅提供自由空間緩沖其體積膨脹，通過調(diào)整有機(jī)模板劑的比例，可調(diào)整納米硅?石墨?無定型碳混合顆粒內(nèi)部的孔隙，有利于保持負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)完整；同時有機(jī)模板劑的熱解可以產(chǎn)生部分碳質(zhì)材料(即無定型碳)，這類碳質(zhì)材料可以提高納米硅的導(dǎo)電性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰離子電池用負(fù)極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有比容量高、穩(wěn)定的工作電壓、安全性好、無記憶效應(yīng)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、移動電話和儀器儀表等諸多便攜式電子儀器設(shè)備中。隨著各種電子設(shè)備以及電動汽車的快速發(fā)展，人們對鋰離子電池的能量以及循環(huán)壽命的要求越來越高。負(fù)極材料是電池中的重要組成部分，其與正極材料一起決定著鋰離子電池的循環(huán)壽命、容量和安全性等關(guān)鍵性能，成為各國研究的重點(diǎn)。

目前商業(yè)化石墨類負(fù)極材料比容量低，僅為372mAh/g，限制了鋰離子電池整體容量的提高，已經(jīng)不能滿足市場的需求。據(jù)報道，硅的理論儲鋰容量高達(dá)4200mAh/g，嵌鋰平臺略高于石墨，安全隱患小，是優(yōu)良的石墨類負(fù)極材料的替代品；但是，硅在充放電中表現(xiàn)出高達(dá)300％的體積變化，因此極易導(dǎo)致硅顆粒粉化、電極內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被破壞，且導(dǎo)電性能不佳。

為了解決硅體積膨脹而帶來的一系列問題，本領(lǐng)域技術(shù)人員通過各種方法對其進(jìn)行改性，包括使其納米化、合金化、多孔化以及分散于各種網(wǎng)絡(luò)體系中等。這些方法都能在一定程度上對循環(huán)性能加以改善，但是仍然存在很多問題，如循環(huán)性能不佳、膨脹過大、振實(shí)密度低或難以產(chǎn)業(yè)化等問題。因此，如何更加有效緩解體積膨脹，保證循環(huán)穩(wěn)定性，獲得高比容量、循環(huán)性能較佳的硅碳負(fù)極材料，仍然是當(dāng)前鋰離子電池領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了改善現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法與應(yīng)用，所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料具有較高的振實(shí)密度，同時其可以有效緩解硅負(fù)極材料體積膨脹的問題，由其組成的鋰離子電池具有較佳的循環(huán)性能。

具體地，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(1)將納米硅、石墨、有機(jī)溶劑和分散劑球磨混合，加入有機(jī)碳和有機(jī)模板劑繼續(xù)球磨混合后噴霧干燥造粒，隨后進(jìn)行碳化，得到前驅(qū)體A；

(2)將步驟(1)的前驅(qū)體A進(jìn)行酸純化處理，烘干，得到前驅(qū)體B；

(3)對步驟(2)的前驅(qū)體B與硅源進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，形成納米硅層，得到前驅(qū)體C；

(4)對步驟(3)的前驅(qū)體C與碳源進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，形成碳包覆層，得到所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(1)中，將納米硅、石墨、有機(jī)溶劑和分散劑球磨混合3-10小時，加入有機(jī)碳繼續(xù)球磨混合1-5小時，再加入有機(jī)模板劑繼續(xù)球磨混合1-5小時后噴霧干燥造粒，隨后進(jìn)行碳化，得到前驅(qū)體A。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(1)中，所述的球磨是在惰性氣氛下進(jìn)行的。示例性地，所述惰性氣氛為氮?dú)饣驓鍤狻?/p>

根據(jù)本發(fā)明，步驟(1)中，所述的前驅(qū)體A包括納米硅、石墨、有機(jī)碳碳化后形成的無定型碳、有機(jī)模板劑碳化分解形成的無定型碳和金屬氧化物。此外，通過調(diào)整納米硅、石墨和有機(jī)碳的加入比例，調(diào)整前驅(qū)體A中納米硅、石墨和有機(jī)碳碳化后形成的產(chǎn)物的含量占比，使得納米硅能均勻地分散，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料循環(huán)性能的改善。通過調(diào)整有機(jī)模板劑的加入比例，調(diào)整前驅(qū)體A中金屬氧化物的含量(實(shí)質(zhì)為孔率的大小)，進(jìn)而為納米硅體積膨脹留下空間，從而實(shí)現(xiàn)材料循環(huán)性能的改善。