[发明专利]一种制备致密包覆的硅碳纳米复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种制备致密包覆的硅碳纳米复合材料的方法，属于锂电池负极材料技术领域，该方法主要包括：利用热等离子法制备球形的纳米硅；根据软、硬碳和硅的硬度特性，利用球磨法将等离子法所制备的纳米硅和软、硬碳材料进行球磨得到碳包覆性较高的硅碳负极材料。本发明引入了材料的硬度特性，利用不同硬度的材料在球磨过程的作用力的不同，制备一种致密的锂电池负极的硅碳复合材料。其复合材料明显减缓了硅的巨大体积膨胀的影响，形成较稳定的SEI膜，拓宽了离子和电子的输送通道，具有更优质的电化学性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种制备致密包覆的硅碳纳米复合材料的方法。

背景技术

我国目前面临的能源危机日益严重，传统的能源包括煤、石油、天然气等化石燃料为不可再生的资源。并且化石燃料的使用会伴随二氧化碳、二氧化碳等气体的排放致使全球变暖和环境污染等问题。寻找一种高产，环境友好型的能源尤为重要。

锂离子的二次电池具有能量密度高、循环寿命长、安全可靠等优点，广泛应用于便携式电子设备中，并向电动汽车、性能源储能领域拓展。同样在面对环境污染，能源短缺等一系列问题时。发展锂离子电池对国家而言具有重大战略意义。

硅材料具有4200mAh/g的理论比容量，嵌锂电位在0.4V左右，既具有高能量密度又具有高安全性能，已经吸引了无数研究者的注意力。但是硅材料在嵌锂过程中伴随的巨大体积膨胀高达300％。且首次放电过程中形成的SEI膜，消耗了大量锂离子产生不可逆容量。另外硅的导电率较低，体积膨胀使材料粉化，导致容量快速衰减。

为了解决硅负极材料在充放电过程中容易发生应力开裂，引起体积膨胀导致循环性能劣化的问题，目前采用的解决手段主要有：减小活性纳米硅颗粒的粒径，制备纳米级材料以减少体积变化的内应力，例如公开号为CN104362300A的中国发明专利申请；用活性金属或者非活性金属制备中间相物质取代纯金属，例如公开号为CN105826533A的中国发明专利申请；制备多孔硅基体取代硅颗粒，例如公开号为CN102157731A的中国发明专利申请；制备核壳结构材料，例如公开号为CN104953122A的中国发明专利申请。

上述方法虽然或多或少解决了硅作为负极材料时体积膨胀的问题，但是存在原料昂贵、工艺复杂、制备过程中易引入杂质、难以工业化生产等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术在将硅作为锂电池负极时遇到的问题，提供一种制备致密包覆的硅碳纳米复合材料的方法。

本发明的发明人通过不断探索发现，综合热等离子体制备粉体技术和球磨技术的技术优势，利用硅粉与软、硬碳在硬度上的差异，可以采用廉价易得的原料以较为简单的工艺过程，实现致密包覆的硅碳纳米复合材料的工业规模制备，制备过程中能够保证产品的纯度，最终获得具有优异电池性能的硅碳纳米复合材料。

本发明提供的一种制备致密包覆的硅碳纳米复合材料的方法，包括以下步骤：

(1)以微米硅粉为原料利用热等离子体方法制备纳米硅粉；

(2)将纳米硅粉与软碳或硬碳材料混合后球磨；

(3)将球磨后的产物筛分、收集得到致密包覆的硅碳纳米复合材料。

利用热等离子体方法可以以廉价易得的微米硅粉为原料，得到粒径分布窄、形貌可控、分散性良好的零维纳米硅球。

进一步地，步骤(1)所述热等离子体制备纳米硅粉的具体过程如下：

选取市售的微米级硅粉，在惰性气体载气的输送作用下，微米级的原料进入等离子体弧中，在等离子体弧的高温区原料被加热并瞬间气化生成硅蒸汽，离开等离子体弧后，由于温度骤降形成过饱和蒸汽，过饱和蒸汽在气体携带向下运输过程中发生形核和长大成为纳米硅粒子，最终在反应器沉淀得到纳米硅粉体。