[发明专利]一种复合硅碳负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合硅碳负极材料的制备方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

当前，锂离子电池作为成熟的储能单元，已经逐渐融入生活的每一个部分。生活中的手机、笔记本等电器都是使用锂离子电池作为其储能单元。近几年锂离子电池逐渐被用在动力储能方面，电动汽车就是锂离子电池重要的应用对象，然而目前的锂离子电池能量密度仍然无法达到纯电动汽车对续航里程的要求。

对于动力电池来说，对其能量密度影响最多的因素应该是正极材料和负极材料。目前正极材料正朝着高容量和高电压两个方向发展，开发与正极材料性能相匹配的负极材料，才能有效地发挥出正极材料的特性。

硅基电池负极材料具有很高的容量性能，纯硅的理论比容量是4200mAh/g，是极具开发潜力的锂离子电池负极材料。目前硅基负极材料面对的主要问题是硅在充放电过程中的体积变化，因此使用碳材料作为缓冲骨架，可以缓冲硅材料的体积膨胀和缩小，硅碳复合负极材料应运而生。目前对硅碳负极材料的研究已经很多，例如专利申请号201210387258.2一种锂离子电池硅碳复合材料的制备方法和201210283761.3一种高容量锂离子电池负极材料的制备方法中均使用硅粉与膨胀石墨混合处理，得到硅碳负极材料，但是该方法受到硅粉尺寸及分散工艺的限制，很难真正实现硅粉插入膨胀石墨空隙中的目的，纳米级硅粉提高材料成本，另外201210387258.2专利中所有碳源均选用膨胀石墨，大大增加材料成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种复合硅碳负极材料的制备方法，该方法采用膨胀石墨片层间原位插入硅氧化物，之后对氧化硅进行还原得到富硅材料，再用静电纺丝法制备硅碳复合有机物纺丝，经过碳化便得到丝状硅碳复合负极材料。本专利中的方法不使用硅粉作为原料，降低材料成本，并且使用原位在膨胀石墨层间插入氧化硅之后还原的方法，可以更好的为硅提供缓冲层。最后配合以静电纺丝方法，以高分子有机纺丝物作为主要碳源进行复合，一方面进一步提高对硅的缓冲作用，另一方面降低材料的成本，达到成本、性能的可控性。

本发明的技术方案是这样实现的：一种复合硅碳负极材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤，具体制备步骤如下：

步骤一、膨胀石墨预处理：向膨胀石墨中滴加二甲基甲酰胺，加入量为膨胀石墨质量的8~15倍，将膨胀石墨润湿，超声处理30~120min，得到的悬浊液备用；

步骤二、配置前驱体悬浊液：将正硅酸乙酯溶解于步骤一中所述悬浊液中，正硅酸乙酯加入量是膨胀石墨质量的15~23倍；加入水解的催化剂并保持溶液的PH在一定范围内，催化剂为硝酸，控制PH范围在2~5之间；

步骤三、前驱体制备：将去离子水逐滴滴加到步骤二中所述前驱体悬浊液中，加入去离子水的质量为正硅酸乙酯质量的1.2~1.8倍，并加以强烈搅拌30分钟，25℃静置1~5小时，之后将悬浊液在60~80℃下烘干，得到前驱体；

步骤四、富硅材料制备：将前驱体与镁粉混合，镁粉质量为正硅酸乙酯的1/3~1/2，在氩气保护下高温烧结，烧结温度在600~800℃之间，烧结时间在2~5小时之间，将二氧化硅还原，生成物经过酸洗、水洗后烘干，粉碎后，便得到富硅材料；

步骤五、硅碳复合材料制备：将聚丙烯腈溶解于有机溶液中，配置溶液浓度在5%~20%之间，有机溶剂为二甲基甲酰胺，加入适当质量的步骤四中所得的富硅材料，富硅材料的加入量根据不同的容量需求添加，添加质量应保证理论硅含量在20%以下，经过充分球磨搅拌混合后，用静电纺丝方法制得硅碳负极复合丝体。将硅碳负极复合丝体在保护气氛下500~800℃之间高温煅烧4~8小时碳化，之后经过粉碎便得到硅碳复合材料。

所述的步骤一中向膨胀石墨中滴加二甲基甲酰胺，可替换为向膨胀石墨中滴加二甲基乙酰胺，或向膨胀石墨中滴加N-甲基吡咯烷酮。

所述的步骤二中的催化剂可由硝酸替换为盐酸，控制PH范围在2~5之间；也可以是氨水，控制溶液PH范围在8~12。

所述的步骤五中聚丙烯腈溶解于有机溶液中，可将聚丙烯腈替换为聚乙烯吡咯烷酮溶解于有机溶液中，或聚甲基丙烯酸甲酯解于有机溶液中。

所述的步骤五中的有机溶剂可由二甲基甲酰胺替换为二甲基乙酰胺或无水乙醇。