[发明专利]一种锂离子电池用纳米硅碳复合负极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池用纳米硅碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：通过采用同轴静电纺丝技术将内层前驱体乳浊液和外层前驱体乳浊液制成纤维丝，再通过载荷冷冻干燥‑载荷热压‑载荷热处理工艺和两次碳化处理得到纳米硅碳复合负极材料。本发明的锂离子电池用纳米硅碳负极复合材料，纤维直径小且粗细均匀，比表面积大，通过载荷热处理降低了碳层厚度，具有良好的比容量和循环性能，有效缩短了锂离子的扩散迁移路径，避免了纳米硅颗粒因体积膨胀效应而导致材料粉化，结构坍塌等问题，使本发明具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池用纳米硅碳复合负极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有容量大、高工作电压、循环使用寿命长、核电保持能力强，允许工作温度范围宽、绿色环保和无记忆效应等突出优点，现在已经被广泛的应用于电子产品中，预计2020年市场规摸将达11931亿美元。因此，锂离子电池应用于能量存储和电动汽车当中具有广阔的前景。

但是，目前锂离子电池的内部阻抗较高，工作电压变化较大，成本高，必须要有特殊的保护电路以及用于纯电动汽车的功率密度和容量都有待进一步提高等。另外，制约锂离子电池发展的关键因素是电池材料的制备，在现有的锂离子电池材料中，碳材料是最常见的负极材料。从长远来看，硅基负极材料由于理论容量高(高达4200m Ah/g，是当前商用石墨负极的十倍以上)、放电电位低、储量丰富等优点，被认为是替代石墨的下一代锂离子电池负极材料之一。但是，硅在锂离子嵌脱过程中伴随着严重的体积膨胀效应(300％) 引起活性物质粉化，进而与集流体和导电剂失去接触，导致电池库伦效率降低，循环性能变差，容量迅速衰减，在很大程度上限制了硅基材料的商业化进程。虽然纳米化可以有效缓解体积膨胀，缩短锂离子扩散路径，提高材料电化学活性，降低电化学反应极化；但是，粒径越小越容易团聚，比表面积越大，越不容易制备。

为了缓解硅在充放电过程中因体积膨胀而导致材料粉化，结构坍塌，与电极片脱离，进而引起电极导电性变差等问题，Wang等(Journal of Power Sources,2010,195(15):

5052-5056)采用静电纺丝技术研究了硅碳复合比对材料电化学性能的影响，当硅碳质量比为23:77时纳米纤维具有最佳的电化学性能，其可逆比容量高达1240mAh/g；但是，材料的倍率性能和循环性能不佳。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种锂离子电池用纳米硅碳复合负极材料的制备方法，解决现有锂离子电池在充放电过程中的扩散迁移路径长，纳米硅颗粒因体积膨胀效应而导致材料粉化，结构坍塌，与电极片脱离，进而引起电极导电性变差等问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种锂离子电池用纳米硅碳复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：

1)用适量的偶联剂浸透纳米硅粉后，加入聚合物A和纺丝溶剂，待聚合物A完全溶解后超声分散1～5h，制得内层前驱体乳浊液；将纤维聚合物B溶解于纺丝溶剂中，制得外层前驱体乳浊液；通过同轴静电纺丝技术将内层前驱体乳浊液和外层前驱体乳浊液制成同轴纤维丝，将所述同轴纤维丝加热除溶剂得到包覆前驱体；

2)将步骤1)得到的包覆前驱体进行载荷冷冻干燥、载荷热压和载荷热处理后得到纳米硅/聚合物A/聚合物B复合纤维；

3)将步骤2)制备的纳米硅/聚合物A/聚合物B复合纤维，在惰性气体保护下，进行碳化处理后，研磨并用多孔筛300～400目过筛，得到锂离子电池用纳米硅碳复合负极材料。

进一步，所述纺丝溶剂为为水、N，N-二甲基甲酰胺、丙酮、三氯化碳、N,N-二甲基乙酰胺或四氢呋喃等，所述偶联剂为Y-氨丙基三乙氧基硅烷、十六烷基三甲基溴化铵、乙二醇、γ―(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-560)或聚乙烯吡咯烷酮等。