[发明专利]一种通过催化作用制备硅-碳纳米管负极材料的方法

说明书

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体地说是一种通过催化作用制备硅‑碳纳米管负极材料的方法，其特征在于，采用如下步骤：原料混合炭化、混合、气相沉积得成品。本发明同现有技术相比，本发明由于在硅碳颗粒与石墨之间原位生成了链状碳纳米管，从原子层面建立了良好的导电网络，材料的循环性能明显提升，具有良好的应用前景；根据配方中的石墨含量，所得成品容量可以在400～1500mAh/g之间调整，采用本发明中制备的硅‑碳纳米管制作电池的过程中无需再加入导电剂。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体地说是一种通过催化作用制备硅-碳纳米管负极材料的方法。

背景技术

硅基负极材料较高的理论储锂容量具有诱人的应用前景，是目前锂离子电源研究领域的热点。但硅基材料的导电性较差，循环过程中其容量衰减迅速，由硅基材料制作而成的电池仍然具有阻抗高、循环寿命较短的问题。

公开号为CN105576185A的中国发明专利申请，公布了一种硅碳负极极片的制作方法，其特点为在匀浆配方中加入了0～15％的碳纳米管导电剂，涂布后形成的极片中包含碳纳米管导电剂。虽然通过这种方法一定程度改善了硅负极材料制作成极片后的导电性，但由于匀浆过程中碳纳米管难以达到完全分散、硅与碳纳米管在浆液中仅仅包含部分物理接触，充放电过程中硅的膨胀、收缩很可能再次破坏导电网络。

公开号为CN106025219A的中国发明专利申请，公布了一种通过碳纳米管纸作为集流体，进而改善硅碳负极材料导电特性的方法，但所用碳纳米管纸为二维结构，极片中的大部分活性物质仍然无法与其接触，改善作用有限。

碳纳米管既具有优异的导电性能，也具有一定的柔韧性，构建硅基材料与碳纳米管的立体网络结构，能极大的增加活性物质整体与集流体的接触，增加锂离子扩散通道，并能部分缓冲硅在充放电过程中的体积变化。因此，目前迫切需要开发出一种技术，可以有效地制备硅与碳纳米管通过化学键连接而成的稳定复合体系，保证硅基材料制备的锂离子电池阻抗低、循环寿命长，整体性能获得提升。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，以硅基材料为前驱体与包覆剂炭化生成包覆碳层的硅基颗粒；再引入石墨和催化剂进行气相沉积，通过催化作用在硅碳颗粒和石墨之间原位生成了链状碳纳米管，硅、石墨和碳纳米管之间具有良好的化学接触，显著改善了材料整体的导电特性和电化学性能。

为实现上述目的，设计一种通过催化作用制备硅-碳纳米管负极材料的方法，其特征在于，采用如下步骤：

步骤一，原料混合炭化：选择的硅基颗粒与包覆剂投入搅拌式加热釜中充分混合得混合料，所述包覆剂的添加量占混合料的1～10wt％；混合物升温至 400～700℃，如以5℃/min，升温至650℃/min，反应1～10h，如1h或5h或8h，然后降温至室温出料获得表面包覆碳层的硅基颗粒；所述的包覆剂为沥青、酚醛树脂、古马隆树脂、糠醛树脂的一种或组合；

步骤二，混合：选择7～20μm的石墨，将石墨与上述包覆碳层的硅基颗粒充分混合得混合物，石墨添加量为使上述硅基颗粒占最终混合物的2～90wt％；

步骤三，气相沉积：按催化剂占上述混合物含量的0.1～10.0wt％，将上述混合物与催化剂混合均匀后投入CVD反应炉中，将反应体系加热至400～900 度引入气相沉积气体，反应10～200分钟后冷却至室温后过筛获得成品，如500 ℃/min或750℃/min或900℃/min，反应时间为1～10h，如1h或5h或8h；所述催化剂的粒径为10-800nm；所述催化剂为过渡金属、氧化物中的一种或组合。

所述原料混合炭化中的硅基颗粒为微米级无定形结构的氧化亚硅或亚微米级硅。

所述硅基颗粒的粒径为0.2～10μm。如0.2μm、2μm或7μm等。

所述过渡金属包括铁、钴、镍、镁；

所述氧化物包括三氧化二铁、钙钛矿氧化物；