[發明專利]一種膨脹石墨/硅/碳復合電極材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202210363439.5
• 申請日: 2022-04-08
• 公開（公告）號: CN114744173B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 高志杰;張寶林;許海珍;宋彥磊;安昊;肖長松
• 申請（專利權）人: 濱州學院;濱州裕能化工有限公司
• 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: 鄭州翊博專利代理事務所(普通合伙) 41155
• 代理人: 周玉青

本發明屬于鋰離子電池復合電極材料技術領域，公開了一種膨脹石墨/硅/碳復合電極材料及其制備方法，包括以下步驟：將硅納米顆粒進行表面羥基化處理后清洗、干燥，得到羥基化硅納米顆粒；將膨脹石墨、羥基化硅納米顆粒加入分散劑中均勻分散，得到分散液；將碳源加入分散液中攪拌均勻，濃縮，得到分散漿料；將分散漿料干燥得到復合材料前驅體，對復合材料前驅體進行熱處理，得到膨脹石墨/硅/碳復合電極材料。制得的膨脹石墨/硅/碳復合電極材料中，由于膨脹石墨的高導電性能夠很好的將電子傳導到單質硅上，提高其導電性，又能有效抑制硅的體積膨脹并將硅與電解質隔離，充分發揮硅的高容量特性，提高其穩定性，適合作為電池的電極材料。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池復合電極材料領域，具體涉及一種膨脹石墨/硅/碳復合電極材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池具有放電電壓大、電池容量大、自放電少、不存在記憶效應、壽命長、充放電快以及環保等特點，現已成為許多設備如計算機、移動電話和平板電腦的理想電源，其他如新能源汽車、航空航天、火箭、人造衛星等領域也與鋰電池的應用都有著千絲萬縷的聯系。研究工作者在物質創新的基礎上研制出一種能量密度高、安全性高的高能鋰離子電池迫在眉睫。

碳材料是人們首先開始應用到鋰離子電池的負極材料，它具有導電性好，使用壽命高，體積變化小等優點，但也具有比容量較低，高放大倍率的放電性能等缺陷。與石墨類負極材料相比，在地殼中含量較高的硅材料的理論比容量是目前所研究的負極材料中最高的，完全嵌鋰時可高達4200mAh/g。并且它具有良好的充放電平臺和較低的嵌鋰電位(～0.4V?vs.Li/Li⁺)，被認為是下一代高性能鋰離子電池的負極材料。但是，硅材料在循環過程中的發生的體積效應會造成電池嚴重的破壞，電極結構的穩定性也會被破壞，導致活性物質與集流體的分離，使硅材料在循環過程中放電容量迅速下降，其實際應用也受到嚴重阻礙；另外，硅在進行電池反應時巨大的體積變化（可膨脹到初始體積的300%～400%）容易導致硅表面上反復形成SEI膜，造成循環過程中的低庫侖效率；同時，硅是半導體，本征電導率比較低，只有6.7×10⁴S·cm^-1。這些原因導致硅材料比容量高的優點不能體現，循環性能也較差，最終使電極失效，因此在很大程度上限制了硅的商業用途。

為了解決這些問題，四川創能新能源材料有限公司《一種納米硅的分散方法》專利號CN201910443514.7中提出將粗硅粉經氣流分散并溶于極性溶劑中配成固含量10％～15％的硅溶液，通過在球磨過程中精確地加入十六烷基三甲基溴化銨離子分散劑，有效改善漿料流動性，增強漿料穩定性，并提高了球磨的效能，使制備的納米硅粉成片性能好，顆粒粒徑均勻，具有較好的分散結構。這樣極大地提高了制備的硅粉的電化學性能，從而能有效改善硅電極材料的電化學性能，提高電池的比容量和庫侖效率，改善電池的循環性能。江西先材納米纖維科技有限公司《一種鋰離子電池硅材料用高性能粘結劑及其制備方法》專利號CN201410761021.5中提供了一種鋰離子電池硅負極用粘結劑，它是聚丙烯腈共聚物，所述共聚物的聚合單體除丙烯腈外還包括第二單體和第三單體；所述的第二單體是衣康酸單丁酯單體，所述的第三單體選自衣康酸、丙烯磺酸鈉、丙烯酰胺、氨基、吡啶基或酰胺基單體、丙烯酸正丁酯或丙烯酸甲酯中的任意一種或兩種以上的混合物。所述的粘結劑比現有的粘結劑具有更好的粘結力，能有效改善硅材料在充放電過程中的膨脹，能夠改善硅電極在循環過程中的性能。上述兩個專利雖然有所改善硅電極的電化學性能，但是仍存在兩者只從改變硅自身物理結構來改變它的化學性能而無法提高硅電極的穩定性。

發明內容

針對現有技術中存在的問題和不足，本發明的目的在于提供一種膨脹石墨/硅/碳復合電極材料及其制備方法。

基于上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明第一方面提供了一種膨脹石墨/硅/碳復合電極材料的制備方法，包括如下步驟：

（1）將硅納米顆粒進行表面羥基化處理后清洗、干燥，得到羥基化硅納米顆粒；