[发明专利]双自耗旋转电极电弧等离子体合成硅碳材料的方法及装置

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材料的制备方法及制备装置。

背景技术

随着电子技术的快速发展和电动汽车的迅速普及，市场对高比能锂离子电池的需求越来越迫切。传统的石墨材料理论比容量为372mAh/g，经过二十多年的发展，石墨负极材料，包括天然、人造以及中间相石墨材料，已经发展到了极限，在容量、循环、倍率以及安全性能等方面几乎没有太大提升空间，远远不能满足高比能量锂离子电池的需求。在巨大的市场需求刺激下，各种新型负极材料纷纷出现，高容量负极材料己成为当前电极材料研发和产业化重点。

负极材料按照反应机理可以分为三大类：第一类基于嵌入式反应机理，如石墨负极材料和尖晶石Li₄Ti₅O₁₂负极材料，具有优异的循环性，但理论储锂容量不高；第二类是相转变反应机理，主要过渡金属化合物负极材料，但目前并不具备商业化意义；第三类负极材料基于合金化反应机理，主要有Sn和Si，由于高理论储锂容量而一直受到人们广泛重视。但Sn成本比Si高，理论容量比硅低，Sn的熔点较低不能和碳材料在热解过程中形成均匀的复合材料，所以高容量负极的研究和产业化重点主要集中在硅基材料。

Si可以跟Li形成Li_4.4Si合金，其理论容量为4200mAh/g，由于Si颗粒表面总是被一层电化学惰性的SiO₂层所覆盖，单质Si粉的实际容量一般在2800～3600mAh/g之间。硅基负极最大的问题在于合金化反应过程中巨大的体积膨胀(～300％)和应力导致的电极粉化，使其不能形成稳定SEI膜，库伦效率非常低、循环性很差，锂离子不断被消耗而导致电池最终失效。另外的一个问题就是电解液中的微量HF对Si的腐蚀。所以，硅基负极的一个方向是将纳米Si颗粒均匀地分散到导电性好、体积效应小的活性或非活性缓冲基体中，从而抑制体积膨胀并维持颗粒间的电接触，并尽可能避免Si跟电解液直接接触。

根据分散基体的不同，目前最有希望产业化的高容量硅基负极材料主要有氧化亚硅、复合Si/C负极材料以及硅基合金负极材料。其中，氧化亚硅(SiO)的缺点主要表现在两个方面，首先是其首次库伦效率(71.4％)远低于石墨负极材料，因此无法单独使用在商品电池上。虽然可以通过预锂化的方法有效提高SiO的首效，从安全和成本方面的考虑，实际应用中预锂化工艺受到很大限制。制约SiO应用的另外一个因素是成本问题。SiO粉体的工业化生产目前主要是延用半导体工业的高温蒸发工艺，导致生产成本非常高。最有希望产业实施的是硅碳复合负极材料，目前将各种硅和碳或者两种以上材料的复合已经成为主流的硅负极制备工艺路线。

解决硅在嵌脱锂过程中巨大的体积效应和导致的SEI不稳定的主要措施是使硅材料纳米化。颗粒尺寸小的硅材料，晶粒边界多，从而降低了硅的体积膨胀，同时纳米硅材料拥有更大的比表面积，使材料与集流体和电解液充分接触，能够承受更大的应力，承受更高的电流密度，可改善倍率性能。因此制备硅碳复合材料通常采用纳米硅材料为原料，包括零维的纳米硅颗粒、一维的硅纳米线/管、二维的纳米硅薄膜及三维的多孔硅材料。工艺路线包括不定型纳米碳喷雾热解复合、石墨和硅在高能球磨机中复合、纳米硅和碳纳米管或石墨烯在纳米砂磨机中复合等等。然而，这些工艺路线，或者是纳米硅原料和碳原料获得的成本过高，或是工艺过于复杂或者是动力消耗过高，很难实现大规模产业化。

发明内容

针对本领域存在的问题，本发明的第一个目的是提出一种双自耗旋转电极电弧等离子体合成硅碳材料的方法。

本发明的第二个目的是提出所述方法得到的材料。

本发明的第三个目的是提出一种双自耗旋转电极电弧等离子体合成硅碳材料的装置。

实现本发明上述目的的技术方案为：

一种双自耗旋转电极电弧等离子体合成硅碳材料的方法，包括步骤：

(1)以粉体碳材料和金属硅粉为初始原料，用粘结剂将初始原料混合并捏合为膏状后压制成棒状，干燥后作为自耗电极；

(2)将两根自耗电极作为等离子电弧合成装置的两极，电极由电机驱动高速旋转，通过移动电极控制两个自耗电极之间的距离；

(3)在等离子工作气体保护下，将高速旋转的两根自耗电极通入直流电，调节递进移动手轮，使两个电极靠近放电形成等离子电弧，自耗电极雾化成超细粉体；

(4)以含碳化合物包覆所得超细粉体，得硅碳材料。