[发明专利]一种锂离子电池碳硅负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池负极材料的制备方法，尤其是涉及一种锂离子电池碳硅负极材料的制备方法。 

背景技术

石墨类负极材料由于其循环效率好、嵌锂体积膨胀小、循环寿命长的特性，已被广泛的应用于锂离子电池。但其储锂理论容量较低，理论容量为372mAh/g，已无法满足高比能量动力锂电池的需求。因此开发新型高必能容量电极材料成为提高锂电池性能的关键。而硅拥有已知的最高理论嵌锂比容量，高达4200mAh/g(Li₂₂Si₅)。但硅材料在嵌锂的过程中体积膨胀达400％，造成材料结构的破坏，存在极大的安全隐患。 

由于硅的体积效应，研究人员采用了各种硅的复合材料，如Ti-Si合金、Cu₅Si合金Ca₂Si合金等，或者用沥青，焦炭等碳材料对硅和石墨混合。这些材料虽能在循环性上得到一定的改善，但效果依然不够理想，无法满足高性能动力锂离子电池的性能要求。 

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有效的解决硅负极材料体积膨胀的方法，能显著减小碳硅负极材料的比容量衰减速度，提高碳硅负极材料的循环性能的锂离子电池碳硅负极材料的制备方法。 

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种锂离子电池碳硅负极材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 

a、使用间苯二酚和甲醛为原料制备溶胶； 

b、在步骤a的溶胶中加入纳米硅粉并超声振荡使其分散均匀； 

c、在b的产物中加入超细石墨粉，搅拌均匀； 

d、将c的产物放入恒温箱中凝胶、老化； 

e、将d的产物经溶剂替换、干燥、烘干后进行炭化。 

步骤a所述的间苯二酚和甲醛的摩尔比为1∶2，所述的溶胶是将摩尔比为1∶2的间苯二酚和甲醛，加入催化剂混合均匀制得，所得溶胶颗粒粒径为5～20nm。 

所述的催化剂为碳酸钠，催化剂的加入量为：催化剂与间苯二酚的摩尔比为0.0006～0.0008∶1。 

步骤b所述的纳米硅粉的粒径为50～100nm，纳米硅粉的加入量为：纳米硅粉与间苯二酚的质量比为0.1～0.7∶1。 

步骤c所述的超细石墨粉为天然石墨粉经王水80℃氧化8小时，离心后制得的粒径为60～90nm的粉末，所述的超细石墨粉的加入量为：超细石墨粉与间苯二酚的质量比为0.2～1∶1。 

步骤d所述的凝胶、老化是指将步骤c的产物在恒温箱中放置50℃一天，70℃一天，90℃两天。 

步骤e所述的溶剂替换是将步骤d的制得的凝胶在丙酮溶液中浸泡3天，所述的炭化是指在摩尔比为1∶1的氮气或惰性气体和二氧化碳气体混合气氛下以3～6℃/min的升温数度升至1100℃后恒温3～8小时。 

与现有技术相比，本发明采用的纳米颗粒硅粉和纳米超细石墨，能够很好的在溶胶中均匀分散，溶胶颗粒均匀地附着在纳米硅粉和石墨表面。放入恒温箱后，溶胶以纳米硅粉和石墨粉为核进行空间网状生长，最终形成凝胶。炭化后得到以纳米硅和石墨为核，碳气凝胶为骨架的核壳结构的碳硅负极材料。由于碳气凝胶包覆层的保护，硅材料在循环过程中逐步参与电化学反应，其循环性明显改善。由于制备的碳气凝胶包覆层孔洞结构丰富、比较面积高，能有效缓解硅的体积效应。 

具体实施方式

下面通过实施例子进一步说明本发明及其有益效果。 

本发明的特点是： 

A、将间苯二酚和甲醛溶解在离子水中，加入少量碳酸钠溶液为催化剂，制备溶胶。通过控制加入去离子水和碳酸钠的量和搅拌速度，可以实现对溶解颗粒粒径的控制。 

B、在上述溶胶中加入适量纳米硅粉，通过强力搅拌和超声振荡使其分散均匀。在本发明中使用的纳米硅粉粒径为50～100nm。 

C、在上述溶胶中加入适量氧化后的超细石墨粉并搅拌，使其分散均匀。 

D、将上述溶胶放在50℃恒温干燥箱一天，加速溶胶颗粒生长并形成凝胶。再将成型的凝胶放在70℃恒温箱中一天，90℃中两天，让凝胶进一步的老化。 

E、将上述凝胶浸泡于丙酮中，进行溶剂替换。 

F、将溶剂去除烘干后，并将烘干后的产物进行炭化。本发明中炭化是指在摩尔比为1∶1的氮气(或惰性气体)和二氧化碳气体混合气氛下以3～6℃/min的升温数度升至1100℃后恒温3～8小时。