[发明专利]锂离子电池用硅/中间相碳微球复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池负极用硅/中间相碳微球复合材料的制备方法；将中温沥青与纳米硅粉混合均匀后，升温至沥青熔化后，然后升温至400‑450℃下进行反应，反应结束后自然降温；洗涤，分离，干燥；得到未炭化的硅/中间相碳微球复合物；在高温炉中，将制得的硅/中间相碳微球以1～3℃/min的升温速率升至200‑300℃稳定化，再以1～3℃/min的升温速率升至800～1100℃进行炭化处理，然后自然冷却至室温，获得锂离子电池用硅/中间相碳微球复合材料。本发明中采用的原料价格低廉，不需要加入表面活性剂和分散介质，易于规模化工业生产。用于锂离子电池，具有高容量、高稳定性和长循环寿命的特点。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用硅/中间相碳微球复合材料及其制备方法，属于锂离子电池负极材料技术。

背景技术

随着新兴的电子设备和电动车的发展与进步，锂离子电池、钠离子电池及超级电容器等能源存储与转化设备的研究引起了广大科学家的兴趣。其中，锂离子电池由于具有能量密度大、循环寿命长、无记忆效应、安全性能好、工作电压高、工作温度范围宽等特点，得到了广泛的关注。自锂离子电池商业化以来，石墨负极材料以其低工作电压和高稳定性的优势得到了普遍的应用。然而，石墨负极材料的理论容量只有372mA h g^-1，越来越不能满足当前锂离子电池高容量的需求。因此，开发高能量密度的锂离子电池负极材料是当前锂离子电池发展的重要方向。硅与锂离子可以发生合金化反应，其理论储锂容量为4200mA hg^-1，远远高于石墨负极材料，因此硅材料被认为是最有前景的锂离子电池负极材料之一。然而硅负极材料在电池充放电的过程中会产生300％的体积效应，导致硅颗粒的粉碎、SEI膜的持续增长和循环性能变差。因此，将纳米硅颗粒嵌入碳材料中合成一种硅碳复合材料，既能使硅的高容量的优势得以应用，又能通过碳骨架的支撑作用来缓解硅体积效应引起的颗粒粉碎，从而获得高容量、高稳定性和长循环寿命的锂离子电池负极材料。

CN106505200A公开了一种碳纳米管/石墨烯/硅复合锂电池负极材料及其制备方法,用以克服硅负极在电化学储锂过程中剧烈的体积效应、难以形成稳定的表面固体电解质膜及其本征电导率低导致其电循环性能差的缺陷。然而，该方法采用的原料比较昂贵，生产成本较高。CN106299277A公开了采用纳米硅粉与石墨复合，再采用沥青包覆制备锂离子电池负极材料的方法。该方法对纳米硅进行沥青软化包覆，可避免硅颗粒与电解液直接接触，减缓容量衰减速度，同时缩短了锂离子的扩散路径,保证了电极材料的电子传导。但是该材料的制备的工艺较为复杂，生产过程可能会对环境造成一定的危害。CN106207142A公开了一种采用喷雾干燥造粒技术制备聚酰亚胺包覆纳米硅颗粒粉末的方法，将聚酰亚胺包覆纳米硅颗粒粉末与粉碎后的石墨材料粉末混合，制得硅碳复合负极材料。该生产方法简单，但是存在生产过程能耗高、收率偏低等问题。因此，现有的硅碳复合材料的制备方法仍然存在一些不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池负极用硅/中间相碳微球复合材料及其制备方法，该方法具有过程简单、能耗低和易于实现工业化生产的特点。以该方法制得的硅/中间相碳微球复合材料，用作锂离子电池负极时表现出了较高的电池比容量及长循环寿命。

本发明是通过下述技术方案加以实现的：

一种锂离子电池负极用硅/中间相碳微球复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将中温沥青与纳米硅粉混合均匀后，投放到反应釜中升温至沥青熔化后，搅拌，然后升温至400-450℃下进行热缩聚反应，反应结束后自然降温；

(2)取出步骤(1)中的反应产物，用洗油洗涤，离心分离；然后用甲苯洗涤，干燥；得到未炭化的硅/中间相碳微球复合物；

(3)在高温炉中，将步骤(2)制得的硅/中间相碳微球以1～3℃/min的升温速率升至200-300℃稳定化，再以1～3℃/min的升温速率升至800～1100℃进行炭化处理，然后自然冷却至室温，获得锂离子电池用硅/中间相碳微球复合材料。