[發(fā)明專利]微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210652396.2
• 申請(qǐng)日: 2022-06-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN114975942B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐娜;冉旭東
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 陜西科技大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 西安弘理專利事務(wù)所 61214
• 代理人: 徐瑤

本發(fā)明公開(kāi)的微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料的制備方法，具體按照以下步驟實(shí)施：步驟1，制備明膠/硅納米顆粒混合溶液，并加入含有表面活性劑的1?十八碳烯混合液中，乳化均質(zhì)，將油包水乳液在油浴鍋中蒸發(fā)水分，離心洗滌，真空干燥，最終得到明膠/硅納米顆粒微球；步驟2，將上述微球分散于明膠溶液中，然后將漿液涂在銅箔上，進(jìn)行干燥處理；然后在管式爐中氬氣環(huán)境下熱解，得到微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料。還提供一種微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料，本發(fā)明方法首次使用明膠通過(guò)乳化?自組裝的方法制備明膠/硅納米顆粒微球，制備得到的微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料庫(kù)倫效率高，循環(huán)穩(wěn)定。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高分子材料及新能源材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料，還涉及一種微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料的制備方法。

背景技術(shù)

鋰離子電池因其優(yōu)異的性能在各種消費(fèi)電子產(chǎn)品和儲(chǔ)能領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。目前商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料的選用以石墨類材料為主，但是石墨類負(fù)極材料存在微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差、倍率性能較差和充放電平臺(tái)較低放入缺點(diǎn)，而且商用的石墨類負(fù)極其容量接近理論值372mAh/g，難以滿足日益增長(zhǎng)的高能電池需求。

硅被認(rèn)為是下一代高能量密度鋰離子電池的負(fù)極材料，主要?dú)w因于其儲(chǔ)量豐富和分布廣泛、成熟的單質(zhì)硅制備提純工藝、嵌鋰形成合金對(duì)應(yīng)極高的體積比容量(9786mAh/cm³)和質(zhì)量比容量(4200mAh/g)以及較低的放電電位(Si平均脫鋰電位0.4V?vs.Li/Li⁺)。但是Si在充放電過(guò)程中存在三大主要問(wèn)題：(1)體積變化非常大(約300％)，進(jìn)而導(dǎo)致電極材料粉化脫落；(2)SEI膜持續(xù)形成，消耗大量的鋰離子；(3)本征載流子濃度很低，導(dǎo)電性很差。

為了解決上述存在的問(wèn)題，科研人員提出了將硅納米顆粒與碳基材料進(jìn)行復(fù)合制備的微/納結(jié)構(gòu)硅碳復(fù)合材料，該結(jié)構(gòu)可以結(jié)合硅基材料與碳基材料，以及微米材料和納米材料的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)合理的設(shè)計(jì)，在預(yù)留孔隙緩解硅基材料體積膨脹的同時(shí)，具有較小的比表面積，且在循環(huán)的過(guò)程中結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定存在。但是已有的研究中存在以下問(wèn)題，一為在制備微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料的過(guò)程中通常用到噴霧干燥儀、球磨儀等特定設(shè)備。二為制備過(guò)程中存在對(duì)硅納米顆粒進(jìn)行改性，預(yù)留孔隙以及碳化后酸洗等過(guò)程，過(guò)程復(fù)雜，產(chǎn)生廢液等污染物。

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種步驟簡(jiǎn)便的微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料的制備方法。即明膠包覆基于乳化自組裝法制備明膠/硅納米顆粒微球，經(jīng)過(guò)碳化得到微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料，該材料首次庫(kù)倫效率和首次放電比容量高，循環(huán)性能和倍率性能得到了提高。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料的制備方法，過(guò)程簡(jiǎn)單，設(shè)備易得。

本發(fā)明所采用的第一個(gè)技術(shù)方案是，微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料的制備方法，具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1，制備明膠/硅納米顆粒混合溶液，并加入含有表面活性劑的1-十八碳烯混合液中，乳化均質(zhì)，將油包水乳液在油浴鍋中蒸發(fā)水分，離心洗滌，真空干燥，最終得到明膠/硅納米顆粒微球；

步驟2，將上述微球分散于明膠溶液中，然后將漿液涂在銅箔上，進(jìn)行干燥處理；然后在管式爐中氬氣環(huán)境下熱解，得到微/納結(jié)構(gòu)硅碳負(fù)極材料。

本發(fā)明的特征還在于，

步驟1具體按照以下步驟實(shí)施：

步驟1.1，配置含0.5wt％表面活性劑的1-十八碳烯混合液，在25～35℃，在攪拌頻率為3000rpm的條件下均質(zhì)2min備用；

步驟1.2，配制濃度為20～40mg/ml的明膠水溶液，60℃用磁力攪拌器充分?jǐn)嚢枋姑髂z完全溶解備用；

步驟1.3，將硅納米顆粒加入到步驟1.2配制的明膠水溶液中，60℃超聲分散30min，得到明膠/硅納米顆粒混合溶液；