[发明专利]一种锂离子电池球形硅碳复合负极材料及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法，具体涉及到锂离子电池球形硅碳复合负极材料及其制备方法。

 

技术背景

锂离子电池是目前为便携式及动力交通工具提供能源的应用最为广泛的电源设备，石墨类材料是其主要的负极材料。然而在商业化应用过程中人们对高能量电源的要求越来越高，为了克服石墨材料有限的嵌锂容量（372 mAh/g）的缺陷，寻找性能更好的负极材料，人们对多种新型负极材料进行了研究，其中Si基负极材料因其活性Si物质具有4200 mAh/g的理论嵌锂容量而受到研究者们的关注。但Si材料在锂离子的嵌入和脱出过程中存在很大的体积变化致使其机械稳定很差和循环稳定性能低下。为了能够制得循环性能良好的Si基负极材料，人们通过将Si进行纳米化处理以减小其体积效应，然而昂贵的设备及较低的产能使该方式无法应用于工业生产中。通过将Si、石墨、碳材料进行复合化为解决这一问题带来了希望，在Si/石墨/碳复合材料中Si颗粒分散在柔软的石墨基质中并为碳材料所包覆，各物质可发挥其协同作用，能够有效缓冲Si材料的体积变化，提高复合材料的循环性能。Si/石墨/碳电化学性能很大程度决定于复合材料的结构，人们围绕形成何种特定结构的硅碳复合材料，怎样形成特定结构的硅碳复合材料进行了研究，如李泓等以电动搅拌的方式混合球形石墨和硅粉发明了一种具有“元宵”结构的硅碳复合材料（中国专利授权公告号 CN 1328805C），然而采用该混合方式各物料之间不存在足以使硅粉嵌入球形石墨的机械力，制备出的材料也不能够完全解决硅粉外露问题，因此难以充分发挥石墨的缓冲机制。能够实现石墨对金属硅的良好掩埋及紧密包覆，形成规则的特定结构是解决该领域技术瓶颈的主要难点和努力方向。

 

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的是提供一种锂离子电池球形硅碳复合负极材料及其制备方法，使制得的产品同时兼备高比容量和循环性能优良的优点。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

所述球形硅碳复合负极材料是骨架基体由取向分布不同的鳞片石墨搭建粘结而成，其空隙为硅粉颗粒填充，并为碳材料粘结和表面包覆的球形结构。

所述球形硅碳复合负极材料硅含量为5%~12%，石墨含量为68%~90%，其余为碳材料。

所述球形硅碳复合负极材料的中位径为5~40μm，比表面为1.0~4.5m²/g，振实密度为0.9~2.2g/cm³。

利用混炼机对硅粉、鳞片石墨、碳源材料进行混合，制备球形复合负极材料前躯体，再经微细粒子造球系统造球后高温热处理制得球形硅碳复合负极材料，所述方法包括以下步骤：

A、首先将计量的硅粉、鳞片石墨、碳源材料及溶媒放入混炼机中；

B、混炼机在100~200℃混合1~5h后，减压干燥出去溶媒试剂，得到的混合物经200~400℃低温预处理1~10h，制得球形前躯体；

C、将步骤B中的前躯体放入微细粒子造球系统，以600~1800rpm的转速，造球处理30~180min；

D、在通有惰性气体的碳化炉中，以5~8℃/min升温速率升至预设温度800~1200℃，碳化处理3~10 h，冷却至室温制得球形硅碳复合负极材料。

所述硅粉中位径为0.01~3μm；所述鳞片石墨中位径为1~20μm，纵横比为4~20。

所述碳源为焦油轻油、焦油中油、焦油重油、萘油、蒽油、沥青、柠檬酸、聚乙烯醇（PVA）、葡萄糖羧甲基纤维素（CMC）中的一种或几种。

所述溶媒试剂为四氢呋喃、丙酮、乙醇、去离子水中的一种或几种。

所述步骤B中制得的球形前躯体中位径为5~70μm。

本发明制备的球形硅碳复合材料材料具有以下几个显著特点：1、材料比容量高、循环性能良好；2、球形化程度好，振实密度大；3、颗粒间的分散性好，构型规则完整。制得的核心为异向分布鳞片/硅表面包覆碳材料的球形硅碳复合负极材料，鳞片石墨搭建的骨架基质可对硅粉进行充分的分散，减小硅粉在复合材料的分散外露几率，柔软的石墨基质和碳材料缓冲基质可以充分缓冲硅材料在充放电过程中的体积变化，且取向各异的鳞片分布结构能够有效抑制深度嵌锂导致的材料与集流体间的分离。该结构可使硅材料与石墨紧密接触而不产生多余的空间缺陷，充分抑制充放电过程中硅层与核心石墨间的相互脱离，从而提高循环性能。本发明的制备方法合成工艺简单、易于操作，且能够有效解决制备过程中的结块问题。