[发明专利]一种高容量锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池领域，具体为一种高容量锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

 自从1990年日本索尼公司率先研制成功锂离子电池并将其商品化以来，锂离子电池得到了迅猛发展。如今锂离子电池已经广泛地应用于民用、军用等多个领域。随着科技的不断进步，人们对电池的性能提出了更多更高的要求：电子设备的小型化和个性化发展，需要电池具有更小的体积和更高的比能量输出；航空航天能源要求电池具有循环寿命，更好的低温充放电性能和更高的安全性能；电动汽车需要大容量、低成本、高稳定性和安全性能的电池。

锂离子电池的研制成功，应首先归功于电极材料，特别是碳负极材料的突破，在众多的碳材料中，石墨化碳材料由于具有良好的层状结构，非常适合于锂离子的嵌入和脱嵌，形成的石墨—锂层间化合物Li-GIC具有较高的比容量，接近LiC₆的理论比容量372 mAh/g；同时具有良好的充放电电压平台和较低的嵌脱锂电位，与提供锂源的正极材料，如LiCoO₂、LiNiO₂及LiMn₂O₄等匹配性较好，所组成的电池平均电压高，放电平稳，因此目前商品化锂离子电池大量采用石墨类碳材料作为负极材料。

 硅作为锂电池的负极材料，很早就引起关注，其理论可逆容量为4400 mAh/g，是碳材料的11倍。但是研究发现，硅粉作为负极活性材料时，充放电过程中颗粒的体积变化很大，导致硅颗粒粉化，电极循环性非常差。由于硅的体积效应，研究人员采用了各种硅的复合材料，如Si-Ni合金，SiCN/C陶瓷复合材料、Ti-Si合金、Si-TiN复合材料、Cu₅Si合金、Ca₂Si合金和CrSi₂合金等材料，单独或则与石墨进行复合制作硅碳材料，在循环性能上得到了一定的改善，但依然不够理想。除采用硅的复合材料，研究人员也尝试采用纳米硅来制作硅碳材料。如采用磁控溅射或者化学沉积在集流体上沉积硅薄膜的方法、采用化学气相沉积在石墨表面沉积纳米硅薄膜、采用纳米Si-Ni合金、采用高能机械球磨制作硅碳复合材料、或者采用平均粒度为80纳米的硅粉制作硅碳复合材料等方法，这些方法确实能在一定程度上改善硅的循环性能，但改善的程度有限，材料的循环性能依然不能满足需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种高容量锂离子电池负极材料的制备方法，该方法针对硅在电化学锂脱嵌时产生的严重体积效应，利用体积外补偿的方式给硅粉足够的膨胀空间；制备的含硅复合材料保持了硅的高比容量特性，同时使整体电极的体积变化控制在合理水平，增加循环稳定性，以提高锂离子电池的负极材料的能量密度，使该负极材料比目前商业上锂离子电池中常用的碳负极材料具有更高的比容量，满足各类便携式用电设备对电池日益提高的能量密度要求。

为实现上述目的，本发明所采用以下的技术方案来实现。

一种高容量锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备微膨胀石墨：用浓硫酸和高锰酸钾将天然球形石墨氧化插层，然后在800℃～1000℃的温度下保持10～40秒进行膨胀处理，得到微膨胀石墨；

（2）制备粉体：将微膨胀石墨和纳米硅粉在去离子水中超声分散均匀，然后将分散均匀的悬浮液抽滤、干燥得到层间插有纳米硅粉的微膨胀石墨，即粉体；

（3）制备硅碳复合负极材料：将粉体和碳源前驱体进行混合包覆，然后在900℃～1200℃的惰性气体保护下碳化烧结2～4小时，得到硅碳复合负极材料。

本发明中天然球形石墨、浓硫酸和高锰酸钾的质量比为1：1～5:0.01～0.2，所述浓硫酸的浓度为95%～98%。

本发明中微膨胀石墨的膨胀体积为2.0mL/g～10mL/g，若膨胀体积太小，石墨层间距打开不够，则难以提供足够的预膨胀空间；若膨胀体积太大，石墨层间距打开太大，则石墨结构会破坏严重，难以保证后期的循环稳定性。

本发明中微膨胀石墨与硅粉的质量比为1：0.05～0.2，硅粉的粒径不大于100纳米。

本发明中粉体与碳源前驱体的质量比为1：0.05～0.2。

本发明中的碳源前躯体为蔗糖、聚丙烯腈、聚乙烯醇、酚醛树脂、环氧树脂、沥青中的一种或几种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：