[发明专利]一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，特别涉及到一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法。

背景技术

目前，生产使用的锂离子电池主要采用石墨化碳为负极材料，石墨基负极材料为层状结构，可以储存一定的锂离子，但储锂容量不高，这就决定了该材料的低理论比容量(约372mAh/g)的特性。因此，开发新型的高容量和高倍率负极材料具有很高的研究和利用价值。

较长时间以来，锂合金作为可替代的负极材料而倍受关注，硅基和锡基材料就由于其高的质量比容量(硅和锡的理论比容量分别为4200mAh/g和990mAh/g)而成为研究热点，特别是硅基材料。然而硅基材料制成的Li-Si电极在充放电过程会产生严重的体积效应和粉化脱落，降低了电池的效率和循环性能。开发含硅的复合材料已成为人们研究的重点，研究思路一般未将硅与其他非活性的金属(如Fe、Al、Cu等)形成合金(文钟晟、杨军、刘宇等，锂离子电池负极用硅铝合金/碳复合材料及其制备方法，中国专利号：CN03116070.0)，或将材料均匀分散到其他活性或非活性材料中形成复合材料(如Si-C、Si-TiN等)(杨军、文钟晟、刘宇等，锂离子电池负极用高比容量的硅碳复合材料及制备方法，中国专利号：CN02112180.X)。上述方法虽然都可以一定程度上改善电池的循环稳定性，缓解硅基负极材料的容量衰减，但其机理都是简单的物理复合或高温碳包覆，因此不能从根本上抑制充放电过程中的体积效应，在经过多次循环后，容量又将开始迅速衰减。因此，开发一种工艺简单、能有效抑制硅的体积效应的制备工艺，是制备高容量硅基负极材料领域要解决的难题之一。

发明内容

本发明的目的是提出一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，利用该制备方法制备的硅碳负极材料具有高容量、循环稳定性好的优点。

本发明的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法包括如下步骤：

A：按照摩尔比为1∶1～1∶5的比例称取酚单体和醛单体，并溶于水或者有机溶剂中形成酚醛单体溶液；

B：向A步骤中的酚醛单体溶液中加入与酚单体摩尔比为3∶1～1∶1的纳米硅粉形成混合溶液；

C：将B步骤中的混合溶液放入反应釜中，并将反应釜置于超声波清洗器中进行反应，待混合溶液生成凝胶后，再将反应釜密封并放入烘箱，烘箱温度设置为60～120℃，反应釜放置在烘箱内的时间为8～24小时，生成块状的前驱体；

D：将C步骤生成的前驱体捣碎，并放入烘箱中烘至有机溶剂或水完全挥发；

E：将D步骤干燥后的前驱体在保护气氛下，以1～20℃/min升温速率加热，于600～750℃下恒温焙烧1～10小时，得到锂离子电池硅碳负极材料。

本发明首先将酚单体和醛单体放入溶剂中进行水解，合成高比面积多孔前驱体，再放入纳米硅粉，利用超声波的特殊的空化震荡作用，有效地使纳米硅粉均匀的分散在合成的高比面积多孔前驱体中，最终合成高比表面积多孔高分子树脂包覆硅的前驱体，使得体积效应大大削弱，循环性能优良；然后将所得前驱体干燥，在保护气氛下和特定的温度下进行焙烧，最终得到硅碳负极材料。

A步骤中，还向酚醛单体溶液中加入酸或碱做催化剂，当用酸做催化剂时，酸的浓度为0.1～5mol/L；当用碱做催化剂时，碱的浓度为0.1～2mol/L。加入适当的催化剂可以大大提高反应速度。

A步骤中的有机溶剂为乙醇，成本低。

所述酚单体为苯酚、对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚中的一种或多种。

所述醛单体为乙醛、甲醛和苯甲醛中的一种或多种。

D步骤中所述的保护气氛是惰性气体或还原气体与惰性气体的混合气体

本发明的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法工艺简单、流程短、操作容易、设备投资较小，所制备的锂离子电池硅碳负极材料颗粒分布均匀、电化学性能优良。经过测试，本发明合成的硅碳负极材料0.1C的放电容量一般大于1000mAh/g，可以大大提高锂离子电池的性能。

附图说明

图1是本发明实施例1所制备的硅碳负极材料的X-射线衍射图谱(XRD)；

图2是将本发明中的实施例1、实施例2所制备的硅碳负极材料制成扣式电池后在恒流0.1C条件下的循环性能图谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图来详细说明本发明。

实施例1：

本实施例的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法包括如下步骤：

A：将2.20g邻苯二酚、2ml甲醛和5ml浓盐酸一起加入10ml乙醇中，搅拌使其完全溶解，形成酚醛单体溶液；