[发明专利]一种锂离子电池用高容量负极材料的合成方法

说明书

本发明涉及一种合成锂离子电池用高容量负极材料的方法。本发明分别以气相SiO₂、PAN、NMP、graphite、Mg为原料，将PAN均匀溶解于NMP溶剂中，然后将SiO₂、graphite、Mg按一定比例加入，在超声细胞粉碎机中将混合溶液分散均匀，在一定温度下干燥处理，在稀有气体保护下经过高温碳化还原得到理想的硅碳负极材料。该产物包覆均匀，并具有良好的导电性，graphite有效提高了硅碳材料的库伦效率，PAN裂解碳也有效地缓冲了活性物质的体积变化，气相SiO₂被Mg还原后以低于7纳米的超细硅的形态均匀分布于PAN裂解碳中，极大程度的提高了硅碳复合材料的电化学性能。本发明与传统的合成工艺相比具有纳米硅粒度超细，在碳中分散均匀、工艺条件简单、电化学性能优良等优点。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，主要涉及一种锂离子电池用高容量负极材料的制备方法。

背景技术

由于锂离子电池具有能量密度高、开路电压高、循环寿命长、无记忆效应等优越的性能，因此其被广泛应用于计算机、手机、EV以及其他便携式电子设备中。而目前商业化的锂离子电池主要使用石墨材料作为负极材料，而碳材料的可逆比容量已经达到了360mAh/g，其理论比容量只有372mAh/g，难以满足未来移动电源的发展。为了进一步提高锂离子电池的能量密度，新型高比容量负极材料成为相关研究的热点。由于硅可以和锂形成二元合金，且其具有丰富的储量以及高的理论比容量、较低的嵌脱锂电位和价格低廉等优点，成为锂离子电池研究的重点和热点。

随着研究的加深，我们会发现，硅材料虽然有高容量、低脱嵌锂电位的优点，但是硅作为锂电池负极材料具有致命缺陷，充电时锂离子从正极材料脱出嵌入硅晶体内部晶格间，造成很大的膨胀。使得其体积变化率高达300%，导致其在充放电过程中材料粉化，电极结构破坏，从而导致循环性能大幅下降。因此，目前解决的办法是将硅纳米化以及与碳进行有效复合，以缓冲充放电过程中硅颗粒的体积变化，改善Si的导电性，避免硅在充放电过程中的团聚现象。但是，在产业化开发过程中，将硅进行纳米化的成本高，而且硅的最终颗粒纳米尺度有限，硅在充放电过程中的体积膨胀问题不能从根本上解决。因此，采用低成本的硅纳米化技术，制备性能优异的硅碳复合材料成为发展高容量动力电池的迫切任务。

发明内容

本发明的技术特征在于以橡胶工业常用的一种补强剂气相二氧化硅为硅源，采用液相包覆和高温镁热还原的方法，将聚丙烯腈、人造石墨、气相二氧化硅进行复合，形成以人造石墨为核、均匀分散有超细纳米硅的PAN裂解碳为包覆层的新型复合材料，将其进行半电池组装后，通过电化学性能测试，发现其是一种新型的高容量负极材料。气相二氧化硅是橡胶工业常用的一种补强剂，其粒径小，达到了7nm以下，是目前纳米硅粒径所不能达到的，而且其纯度高，在锂离子电池负极材料领域具有潜在的应用价值。本发明以气相二氧化硅为原料，将其与镁粉均匀分散到PAN中，并包覆到人造石墨表面，最后通过高温还原气相二氧化硅，酸洗、水洗制备得到了均匀分散有超细纳米硅的新型Si/C/Graphite复合材料。由于气相二氧化硅被还原后生成的硅颗粒粒径小于7nm，极大的降低了硅颗粒在充放电过程中的体积效应，同时PAN裂解碳具有良好的导电性，也可以缓冲在充放电过程中纳米硅的体积效应，防止纳米硅在充放电过程中的团聚，从而改善了该新型负极材料的结构性能以及循环性能。

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：