[发明专利]锂离子电池用的硅碳负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法，特别是一种硅碳合金负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度大、无记忆效应、使用寿命长、绿色无污染、自放电小的优点，已经成为各种便携式电子产品的首选供电设备，与人们的日常生活密不可分。随着全球环境问题的日益严峻，“低碳”的生活方式越来越深入人心，锂离子电池的诸多优点使得锂离子电池有望成为便携式电动工具、电动汽车等的理想动力电源，也必将在人类生产生活中发挥更加重要的作用。

目前商品化锂离子电池负极材料主要使用天然石墨和人造石墨，其比容量一般在300～360mAh/g左右，同时石墨类材料的理论值为372mAh/g，发展潜力有限，已经无法适应锂离子电池高容量、小体积的发展需求。因此发展高比容量的锂离子电池用负极材料成为锂电行业的迫切需求。在诸多的可替代材料中，硅因具有极高比容量(理论值4200mAh/g)而成为替代石墨负极材料极具潜力的材料之一。然而，硅基负极材料在锂离子的嵌入与脱嵌过程中存在巨大的体积变化，在包覆不当或者有缺陷的时候会使电极活性物质与集流体分离，从而严重影响了电池的循环性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池用的硅碳负极材料及其制备方法，要解决的技术问题是提高硅碳负极材料的循环性能，且兼有较高的比容量。

本发明采用以下技术方案：一种锂离子电池用的硅碳负极材料，由硅碳复合材料与石墨粉组成，粒径分布为5～50um，硅碳复合材料由包覆有碳材料的纳米硅粉构成，质量比组份为：纳米硅粉1～20％，碳材料前躯体1～40％，其余为石墨粉；所述纳米硅粉是10～500nm的单质硅粉，石墨粉是粒径为0.5～50um，固定碳含量≥94的球形天然石墨或人造石墨粉，碳材料前躯体为沥青、聚氯乙烯、聚乙烯、酚醛树脂或硬脂酸。

一种锂离子电池用的硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：一、按质量比，将5～95％的粒径在10～500nm的纳米硅粉，5～95％的包覆层碳材料前躯体，按纳米硅粉和碳材料前躯体与溶剂的质量比1∶1～10，放入溶剂中，转速500～1500转/分，搅拌1～3h，干燥至溶剂含量小于1％，得到复合物1；所述碳材料前躯体为沥青、聚氯乙烯、聚乙烯、酚醛树脂或硬脂酸；所述溶剂为水、醇类、酮类、烷类、酯类、芳香类、N-甲基吡咯烷酮、二甲基酰胺、二乙基甲酰胺、二甲基亚砜和四氢呋喃中的一种以上；二、将复合物1以1～10℃/min的升温速度，至300～1050℃，热处理时间为1～10h，自然降温；三、粉碎，得到粒径在5～65um的硅复合材料；四、按质量比1∶1～50，将硅复合材料放在试剂中，时间为5～600min，温度为10～60℃，抽滤得到固态粉体，用去离子水冲洗，至用pH试纸测试洗涤液的PH值为5～9，干燥至水分含量小于0.5％后，粉碎至粒径为0.5～50um，得到硅碳复合材料1；所述试剂为氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化铵，2-羧基乙胺和氢氧化四甲基胺的一种以上的水溶液，或氢氟酸的硝酸、硫酸、盐酸和醋酸的一种以上的水溶液；五、按质量比，将50～95％的硅碳复合材料1，5～50％的包覆层碳材料前躯体，按硅碳复合材料1和包覆层碳材料前躯体与溶剂的质量比1∶1～20，放入溶剂中，转速500～1500转/分，搅拌1～3h，干燥至溶剂含量低于1％，得到复合物2；六、将复合物2以1～10℃/min的升温速度，至300～1050℃，保温时间为1～10h，自然降温，得到硅碳复合材料2；七、粉碎至粒径范围为5～50um，得到粉碎后硅碳复合材料2；八、按质量比，将占总质量5～30％的粉碎后硅碳复合材料2和石墨粉均匀混合，得到锂离子电池用的硅碳合金负极材料；所述石墨粉为粒径为0.5～50um，固定碳含量≥94的球形天然石墨或人造石墨粉。

本发明的步骤二热处理升温、保温和降温的过程通入氮气、氩气或氢气，流量为0.1～2L/min.M³。

本发明的对抽滤得到固态粉体，用去离子水冲洗，至用pH试纸测试洗涤液的PH值为6～8。

本发明的试剂为含HF和HNO₃的水溶液，在所述水溶液中，HF的浓度为0.1～25mol/L，HNO₃的浓度为＞0至≤16mol/L。

本发明的步骤六热处理升温、保温和降温过程通入氮气、氩气或氢气，单位体积内流量为0.1～2L/min.M³。