[发明专利]一种无烟煤/一氧化硅/无定形碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种无烟煤/一氧化硅/无定形碳复合负极材料及其制备方法。制备复合负极材料是由无定形的SiO、无烟煤和柠檬酸通过机械球磨分散，然后烧结得到粒径约为13~15微米粉末状的锂离子电池负极材料。该无烟煤/一氧化硅/无定形碳复合负极材料的制备方法：将无烟煤矿经粉碎、除杂、高温处理后与SiO混合，再加入柠檬酸进行包覆，通过机械球磨复合得到前驱体，然后进行高温处理得到高比容量的锂离子电池负极材料。该复合材料将碳材料良好导电性和SiO高的储锂容量有效结合，显示出了优异的电化学性能，在0.1 A/g条件下循环100圈以后可逆容量高达459.2 mAh/g，为SiO负极材料的实用化提供一定的可行性选择。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池无烟煤/一氧化硅/无定形碳复合负极材料及其制备方法，属于电化学领域。

背景技术

锂离子电池因其优异的性能（如工作电压高、比能量高、循环性能好、使用寿命长、工作温度范围宽、无记忆效应、自放电小、无污染等优点）已成为各种电子产品、无线通讯和运输设施等最主要的能源存储设备。目前商品化锂离子电池主要采用石墨类碳材料作为负极活性物质，然而，碳类负极材料因其比容量不高（372 mAh/g）和锂沉积带来的安全性问题使其不能满足电子设备小型化和车用锂离子电池大功率、高容量要求，因而研发可替代碳材料的高能量密度、高安全性能、长循环寿命的新型负极材料是锂离子电池能否取得突破的一个重要因素。

一氧化硅作为一种新型锂离子电池负极材料，因其理论比容量高(2400 mAh/g)而成为锂离子电池负极材料研究的热点。但其在充放电过程中存在体积膨胀现象会引起活性颗粒粉化，最终会因为硅颗粒间以及颗粒与集流体间的电接触减少而容量大幅度衰减，阻碍了其商业化进程。为解决这一问题，人们已进行了大量的探索性试验，包括减小硅颗粒粒径，制备硅薄膜及构造硅基复合材料等方法。目前，研究最多的是硅和石墨复合的负极材料，该材料充分利用了石墨良好的导电性、循环稳定性和硅负极的高容量性能。

无烟煤作为新一类的碳材料，其内既有软碳也含有少量的硬碳。本发明将无烟煤作为碳源进行石墨化处理是一种理想的锂离子电池负极材料，但其比容量较低。

本发明的复合材料中无烟煤可有效的缓解SiO的体积膨胀效应并提供良好的导电网络，因一氧化硅具有较高的理论比容量，所以将少量一氧化硅引入到无烟煤碳材料中可以大大提升材料的可逆容量，显著提高了SiO负极材料应用于锂离子电池中的循环稳定性。

发明内容

本发明提供一种以无烟煤、SiO和柠檬酸为原料的复合负极材料及其制备方法，将碳材料良好导电性和SiO高的储锂容量（2400 mAh/g）有效结合，显示出了优异的电化学性能，为SiO负极材料的实用化提供一定的可行性选择，具有一定的商业推广价值。

本发明采用的技术方案是：一种无烟煤、SiO和无定形碳复合负极材料选用优质的无烟煤（含碳量大于97 %），经过提纯、高温热处理后和SiO、柠檬酸，以一定比例机械球磨混合得到无烟煤/一氧化硅/无定形碳复合负极材料，该材料粒径为13~15微米。

一种无烟煤/一氧化硅/无定形碳复合负极材料的具体制备方法：

第一步，将含碳量大于97 %的无烟煤矿进行机械球磨处理，通过调节球磨参数，将无烟煤颗粒平均粒径控制在0.1~1微米以内，得到无烟煤微粉；

第二步，将球磨后的无烟煤微粉置于2 mol/L硝酸中，搅拌反应3-5小时，以除去无烟煤中的金属杂质。反应结束后，经过滤、洗涤至滤液呈中性后在2000~3000 ℃进行高温处理，得到石墨化的无烟煤；

第三步，将所得石墨化的无烟煤进行机械球磨6-8h，再加入粒径为0.6 μm~1.1 μm的SiO继续球磨，SiO的添加量为石墨化无烟煤质量的5-10 %（进一步优选为8%），得到无烟煤和SiO复合材料；