[发明专利]一种锂电池海胆状多孔碳微球负载硅负极材料及制备方法

说明书

本发明提供了一种锂电池海胆状多孔碳微球负载硅负极材料及制备方法。先制得有机相包覆中间相碳微球，进行氧等离子体高温处理，然后将气源更换为氩气，同时通入气态硅源及蒸汽态催化剂，进行氩等离子体高温处理，形成海胆结构，即可制得负载硅纳米线的海胆状碳微球负极材料。该方法通过有机相包覆中间相碳微球后等离子热处理，最终形成海胆结构，使得纳米线表面包覆材料和粘结剂不易脱落，性能稳定，同时制备中硅纳米线的形成增加了碳微球之间的间隙，在晶须膨胀的同时不会导致宏观体积膨胀，使得所得负极材料容量高，材料内部体积膨胀较小，在锂电池领域的应用前景好。

技术领域

本发明涉及锂电池领域，具体涉及锂电池负极材料的制备，特别是涉及一种锂电池海胆状多孔碳微球负载硅负极材料及制备方法。

背景技术

锂离子电池随着电动汽车的发展一路走高，目前已经成为电动汽车动力的主要来源。其种类繁多，各具特色，在未来的较长时间都难以被其他动力所取代。锂离子电池负极是由负极活性物质碳或非碳材料、添加剂和粘合剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧，经干燥、滚压而成。锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜构成。其中，锂离子电池负极材料是锂离子电池的重要组成部分，负极材料的组成和结构对锂离子电池的电化学性能具有决定性的影响。

锂离子电池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利用嵌入式反应机理的材料，如石墨类；第二类基于合金化反应机理，比如研究得较多的锡基和硅基合金；第三类是异相反应机理，主要是过渡金属氧化物。目前锂离子电池负极材料大多为碳基和硅基，其中碳基材料循环过程中体积膨胀较小，但容量较低；硅基材料容量约为石墨的十倍，完全嵌锂后体积膨胀接近3倍，限制了其在商业化中的应用。针对碳基于硅基复合的负极材料，研究人员进行了大量的工作，通过碳硅复合、结构改性等方式取得了许多的进步。目前的硅纳米线生长大多通过掩模板在表层生长，形成SEI膜后纳米线横向体积膨胀容易形成裂纹，因此针对抑制负极体积膨胀的研究具有十分重要的实际意义。

中国发明专利申请号201710270869.1公开了一种硅碳负极材料，硅碳负极材料的颗粒直径为1μm~200μm，硅碳负极材料为二次颗粒结构，二次颗粒由一次颗粒及电子传导组分组成，电子传导组分中包括石墨烯片层，一次颗粒与所述石墨烯片层均匀分散；石墨烯片层之间存在强键合力；即能够构建具有柔韧性的导电网络结构，将硅基材料固定在该网络结构中，从而得到性能优良的硅碳负极材料。

中国发明专利申请号201710458128.6公开了一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，制备步骤如下：（1）包覆：采用气相沉积法或热包覆法或液相包覆法对硅粉进行碳包覆，得碳包覆的硅颗粒；（2）分散：将碳包覆后的硅颗粒均匀分散在沥青中进行生长，得到内部均匀分散硅颗粒的碳微球；（3）碳化：将碳微球与其它碳材料通过VC高效混合机即得硅碳负极材料，此发明制得的硅碳材料，硅颗粒分布均匀，表面包覆完整，硅颗粒基本不与电解液接触，而且碳微球可以很好的容纳硅颗粒的体积膨胀，具有首次库仑效率高、循环性能稳定、压实密度高、电极结构稳定等优点。

中国发明专利申请号201710144436.1公开了一种棉絮状单质硅纳米线团/碳复合负极材料及制备方法和用途，制备方法是配制聚合物溶液，将聚合物溶液与棉絮状单质硅纳米线团均匀混合，再经过滤烘干、碳化、粉碎、过筛得到棉絮状单质硅纳米线团/碳复合负极材料，用于锂电池的电池负极，优点是：生产无污染，有防爆炸的内应力释放空间，可避免硅颗粒与电解液直接接触，减缓容量衰减速度，提高首次充放电效率、充放电容量和循环性能。

中国发明专利申请号201611181142.8公开了一维硅碳负极材料及其制备方法，该硅碳负极材料主要由硅纳米线、钝化膜和高温裂解碳组成。此发明针对单质硅的缺点，对硅进行纳米化，采用一维硅纳米线为硅源，在氧化性气氛中在其表面形成一层钝化膜，作为保护层，来抑制其体积膨胀。并以高温裂解碳包覆，一方面可以作为包覆层保护硅纳米线，避免其与电解液的直接接触。另一方面，又可提高单质硅的电导率。此发明合成的硅碳复合材料作为锂离子电池负极时，表现出了优异的电化学性能和良好的循环稳定性。