[发明专利]一种锂离子电池用锡碳负极材料的制备方法及其设备

说明书

技术领域

本发明属于能源材料领域，具体涉及一种锂离子电池电极活性材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池的快速发展首先得益于负极材料的进步，目前商品化的锂离子电池负极材料主要是石墨以及各种改性的碳材料。碳负极材料具有性能稳定，电压平台低，循环性好等特点，其理论可逆容量为372mAh/g，实际使用中的碳负极材料可逆容量一般在320～350mAh/g。随着电池应用领域的不断拓展，对高能量密度电池的要求日益强烈，需要开发具有更高比能量密度的负极材料。

与碳负极材料相比，金属锡具有更高的质量比容量，被认为是最有应用前景的锂离子电池负极材料之一。锡基负极材料的嵌脱锂机理为：xLi⁺+xe^-+Sn→Li_xSn(0≤x≤4.4)，理论可逆容量可达到994mAh/g。然而金属锡在充放电过程中会发生约3倍的体积变化，使该类电极在充放电过程中，易引起电极剥落、粉化而导致容量严重衰减，循环性能差。针对锡材料循环性能较差的缺点，人们寻求各种方法克服材料体积变化产生的应力，如向锡材料中掺杂其它元素形成锡基合金或锡基复合材料。

利用石墨材料稳定性和循环性好的特点，结合锡的高容量的优点，以金属锡和石墨制备锡碳复合材料，可得到容量高、稳定性和循环性较好的Sn/C复合负极材料，如中国专利CN101202340A描述的以锡盐和淀粉经球磨后高温焙烧得到纳米级Sn/C复合材料。但是采用化学法或机械球磨方法制备的Sn/C复合负极材料的工艺，由于锡碳接触反应前化学法得到的氧化锡微粒或球磨法得到的锡微粒的粒径较大，导致最终产物中锡和碳的分散不均匀，影响了锡碳复合材料作为锂离子电池负极材料的性能，难以实际工业化应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种锂离子电池用锡碳负极的制备方法。

本发明的另一个目的是提出一种制备锂离子电池用锡碳负极的设备。

本发明的技术方案为：

一种锂离子电池用锡碳负极的制备方法，包括步骤：

1)在两个金属锡棒之间通以短路电流产生电弧，将金属锡棒经电流短路产生的电弧气化后与可溶性有机碳源水溶液的喷雾接触反应，其质量比为Sn∶C＝1∶0.02～0.2(气化的锡棒质量：可溶性有机碳源喷雾中的计量碳)，收集反应产物；所述喷雾是用流量为400-600L/min的压缩空气将可溶性有机碳源的水溶液从喷雾头喷出；

所述金属锡棒的直径为4～8mm；所述可溶性有机碳源的水溶液为含有葡萄糖、蔗糖、改性淀粉、果糖中的一种或多种的水溶液；所述改性淀粉可以为羟丙基改性淀粉或羧甲基改性淀粉；

2)将步骤1)所得反应产物研磨；

3)步骤2)研磨后的物料在氮气或氩气保护下焙烧3～5小时，焙烧的温度为1100～1500℃，焙烧后用分级粉碎设备粉碎分级。

优选地，所述步骤1)中短路电弧的产生条件为：电压30～50V，电流300～600A。

其中，所述步骤1)中，可溶性有机碳源水溶液的质量浓度为50～90％。

其中，所述步骤2)中，反应产物在球磨机内研磨3～5小时。

其中，所述步骤3)中，破碎分级得到的产物中值粒径D₅₀为2～4μm。

一种制备锂离子电池用锡碳负极的设备，包括直流电弧产生装置、电弧反应箱体、液体容器、压力式喷雾头、用于产物收集的扩散冷却室；

所述直流电弧产生装置的两根输出线上各设置一个导电的锡棒夹具；所述直流电弧产生装置罩在电弧反应箱体中，箱体为圆柱形，电弧反应箱体上方连接有弧形的反应室；

所述液体容器位于直流电弧产生装置的上方，容器下部有溶液出口，溶液出口连接的管路上设置有压缩空气进口，所述溶液出口连接的管路出口端为压力式喷雾头，压力式喷雾头出口位于所述弧形反应室的侧壁上；

所述弧形反应室连接有圆管形状的用于产物收集的冷却室。

进一步地，所述反应室形状是弯曲成弧形的圆柱体，反应室和扩散冷却室的直径比为1∶2～3。

优选地，所述压力式喷雾头为1/8英寸的J型可调型广角圆形喷雾头。

其中，所述直流电弧产生装置的输入端电缆上装有一台三相100kW的自耦调压器，以方便调整功率和起弧电流。

所述直流电弧产生装置可采用现有设备，通常为直流电焊机，例如直流手工焊机，直流手工焊机的两根输出线装上两根锡棒夹具。

本发明的有益效果在于：