[发明专利]锂离子电池用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材料及其制备方法，特别是一种锂离子电池的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，并逐渐延伸至便携式电动工具、电动汽车、储能电站等领域，随着锂离子电池的发展，其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为石墨类材料，但因其理论比容量仅为372mAh/g，发展潜力有限，无法适应锂离子电池对高能量密度的需求，因此发展高比容量的负极材料成为锂离子电池行业的迫切需求。在诸多可替代石墨类材料的负极材料中，硅因具有极高的比容量（理论值4200mAh/g）而成为其中极具潜力的材料之一。而硅基负极材料在锂离子的嵌入与脱出过程中存在巨大的体积变化，导致电极活性物质与集流体相分离，严重影响电池的循环性能，含氧硅基材料尤其是氧化亚硅负极材料，因首次库伦效率较低而限制了其应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法，要解决的技术问题是提高比容量和循环性能。

本发明采用以下技术方案，一种锂离子电池用硅碳负极材料，按质量百分比，由10～90%的含氧硅碳复合材料和90～10%的石墨粉体混合构成；所述石墨粉体粒度为0.5～50μm，含碳量不低于95%；所述含氧硅碳复合材料由10～85%含氧硅基材料、5～75%石墨粉体、10～35%有机物裂解碳构成；含氧硅基材料为单颗粒Si均匀分散在SiO_x中形成的混合物，其中，0.5<x≤2.0。

本发明的石墨粉体为天然石墨、人造石墨、微晶石墨、中间相碳微球和软碳中的一种以上；

本发明的含氧硅碳复合材料，粒度为1～45μm；所述含氧硅基材料,粒度为50～500nm。

本发明的有机碳源为聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚氯乙烯、聚乙二醇、环氧树脂、沥青、酚醛树脂、蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、聚吡咯和聚苯胺中的一种以上。

本发明的Si为0.5～50nm的单晶硅和/或多晶硅；所述SiO_x为晶体和/或非晶体。

一种锂离子电池用硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、热处理：将粒度为1～1000μm的SiO_Y，其中，0.5≤Y≤1.5，以1～2℃/min的速度升温至700～1300℃，保温1～12h，自然冷却至室温，使单颗粒Si分散在SiO_x中，形成含氧硅基材料，SiO_x为晶体和/或非晶体，0.5<x≤2.0，Si为粒径为0.5～50nm的单晶硅和/或多晶硅；

步骤二：球磨：按现有技术对混合物进行球磨，得到含氧硅基材料。

步骤三、分散与碳包覆：第一步，按质量百分比，将10～85%的含氧硅基材料，5～75%石墨粉体混合并分散到溶剂中形成浆料，浆料的固含量为5～45%，干燥得到干燥物；第二步，将干燥物和有机碳源（残碳质量占生成复合材料质量的10～35%）混合并分散到溶剂中，控制固含量为5～45%，干燥得到含氧硅碳复合材料前驱体，然后以1～10℃/min升温速度至600～1150℃，保温1～10h，自然冷却至室温，粉碎，粒度为1～45μm，得到含氧硅碳复合材料；所述石墨粉体含碳量不低于95%，粒度为0.5～50μm；

步骤四、溶合：按质量比，将10～90%的含氧硅碳复合材料和90～10%的石墨粉体均匀混合，得到锂离子电池用硅碳负极材料。

本发明的方法对步骤一得到的含氧硅基材料进行球磨，粒度为50～500nm。

本发明的方法步骤一热处理中从开始升温至降温结束的过程中通入氮气、氩气或还原性气体的一种以上，流量为0.1～0.5m³/h；所述步骤二中从开始升温至降温结束的过程中通入氮气、氩气或还原性气体的一种以上，流量为0.1～0.5m³/h。

本发明的方法石墨粉体为天然石墨、人造石墨、微晶石墨、中间相碳微球和软碳中的一种以上；所述有机碳源为聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚氯乙烯、聚乙二醇、环氧树脂、沥青、酚醛树脂、蔗糖、葡萄糖、麦芽糖、聚吡咯和聚苯胺中的一种以上；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。