[发明专利]一种锂离子电池负极材料碳包覆改性的装置及方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池负极材料碳包覆改性的系统及方法，所述系统主要包括料仓、螺旋进料器、预热器进料阀、流化床粉体预热器、反应器进料阀、流化床反应器、反应器出料阀、产品冷却器、产品收集器、混合气预热器、一级反应尾气旋风分离器、二级反应尾气旋风分离器、反应尾气布袋收尘器、反应尾气燃烧器、一级预热尾气旋风分离器、二级预热尾气旋风分离器、预热尾气布袋收尘器和预热尾气冷却器按照既定组合形成；所述方法是基于所述系统的碳包覆方法，通过流态化化学气相沉积得到碳包覆负极复合粉体。本发明具有包覆效率高、工艺简单可控、成本低等优点，适合锂离子电池碳包覆改性负极材料的规模化工业生产，具有良好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料与化工领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料碳包覆改性的系统及方法。

背景技术

锂离子电池以其高能量密度、长循环寿命、无记忆效应和安全环保等特点在很多领域得到了广泛的应用。近年来，随着电动汽车的快速发展，人们对锂离子电池的性能提出了更高的要求。电极材料作为锂离子电池的核心组成部分，决定着锂离子电池的性能。在实际使用过程中，传统的锂离子电池负极材料，如碳基、硅基和钛酸锂等，存在着一些问题。碳基石墨的锂离子迁移速率较低，不适合大电流充放电，且存在溶剂共嵌入现象；硅基材料充放电过程中由于体积膨胀效应，易导致材料粉碎形成新裸露表面，造成表面的固态电解质界面膜(SEI膜)的持续破裂和再形成，造成循环容量下降，库仑效率低，同时硅的本征导电性能差；钛酸锂本身的电子导电能力一般，限制了在大电流充放电条件下的电池性能。这些问题严重限制了负极材料的发展和应用。

碳包覆改性是一种非常有效可行解决该问题的办法，通过碳包覆改性可以降低电池在充放电过程中的电荷转移电阻，提高电子导电性和离子导电性，提高过渡材料的倍率性能，另一方面可以阻止材料与电解液的直接接触，抑制循环过程中氢氟酸对材料的侵蚀，减少材料与电解液的副反应。对于碳基材料，碳包覆改性可以稳定石墨的材料结构稳定性，防止石墨因溶剂共嵌入而失效。对于硅基材料，碳包覆改性还可以缓冲硅在锂离子嵌入脱出过程中的体积变化，提高材料的结构稳定性。因此，碳包覆改性对锂离子电池电极材料的性能改善意义重大。

目前，锂离子电池负极材料的碳包覆方法主要包括：

(1)机械物理混合：武汉大学的专利CN1252846C公开了一种利用机械球磨直接将硅合金和碳基材料混合制备硅碳复合材料的方法。该方法虽然制备工艺简单，成本低，但是操作时间长、混合不均匀，碳与硅合金接触不充分，材料性能改善极其有限。

(2)固相混合热解：固相混合热解方法是指将负极材料和含碳前驱体通过固相机械混合，再通过热解制备碳包覆材料。中国科学院过程工程研究所的专利CN103311522B直接将硅粉、石墨和含碳有机粘结剂混合，再通过高温热解得到碳包覆硅基材料。深圳市贝特瑞电子材料有限公司的专利CN1913200B公开了一种硅粉与沥青机械混合，再将混合材料置于1200℃热处理得到碳包覆硅基材料。广东精进能源有限公司的专利CN103474635B将硅、钛和其它金属非金属元素熔炼成成分均一的合金，在搅拌球磨机中球磨成无定形合金粉末，再和碳源混合均匀，在保护气氛或真空中热处理，制备得到碳包覆硅钛合金负极材料。深圳市贝特瑞新能源材料股份有限公司的专利CN103647056B公开了一种碳包覆氧化硅基复合负极材料的制备方法，是将微米级的氧化硅材料依次经过机械融合、固相包覆、高温烧结得到碳包覆的复合材料。该种碳包覆方法的均匀性效果主要取决于负极材料和碳前驱体的混合均匀性，而采用的固相混合以机械混合为主，均匀性较差。高温热解时碳前驱体容易自形核生成自团聚的碳，导致性能改善效果有限。