[发明专利]一种纳米硅碳材料的制备方法及其在锂电池的应用

说明书

本发明公开一种纳米硅碳材料的制备方法及其在锂电池的应用，包括以下步骤：(1)按1:5的重量比选取碳源和硅粉并混合；(2)将混合粉体加入溶剂和分散剂进行循环球磨；(3)将步骤(2)球磨后的浆料重新加入溶剂和分散剂进行二次球磨后得到混合浆料；(4)将混合浆料进行干燥，干燥后打散得到半成品粉体；(5)对半成品粉体进行烧结，烧结后将烧结料进行粉碎，粉碎后打散至纳米级别，即得纳米硅碳材料。采用本发明所述的纳米硅碳材料制备的负极的锂电池，其包覆均匀，分散性能好，电池容量高等优点，同时其制备工艺成本低，易于实现批量化大规模生产，具有良好的经济效益。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种纳米硅碳材料的制备方法及其在锂电池的应用。

背景技术

为了进一步提高锂离子电池的能量密度以及功率密度，发展高比容量的正负极材料是其关键所在。对于正极材料，常用的磷酸铁锂、钴酸锂、三元镍钴锰酸锂等材料都己经开发得相当成熟，容量进一步实现较大的突破比较困难。为此，采用高比容量的负极材料代替传统的石墨负极，减轻电池中负极材料的负载量，已成为提高锂离子电池能量密度和功率密度最为有效的方法。

目前，锂离子电池常用的负极材料有碳负极材料(包括石墨，软碳和硬碳)和Li4Ti5O12，但是它们的克容量提升空间都非常有限，不利于高能量密度锂离子电池的设计和开发。近年来，随着学术界的广泛关注和研究，发现在目前的锂离子电池负极体系中，Si可以与Li形成多锂合金而具有比石墨高得多的理论比容量(4200mAh/g)，进一步设计结构合理的硅碳复合材料，能够改善电接触和电子电导率，提高锂离子电池容量和循环稳定性能，能较好的缓解电池循环过程中硅材料巨大的体积形变，安全性好。因此，纳米硅碳材料因其独特的电化学性能优势而被业界广泛接受，被誉为下一代锂离子电池负极材料的理想选择。

在纳米硅碳复合材料的设计开发环节中，获得粒径均一、分散性好的纳米硅材料尤为关键，而目前市面上的纳米硅材料基本是纯相纳米硅，电子电导率低，分散性能差，粉体粒径不均一，制造成本高，这些特征导致锂电池硅碳负极材料存在着电子电导性能差、分散性差、包覆不均匀等问题，严重影响锂电池产品的循环稳定性能、倍率性及效率等电化学指标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题便是针对上述现有技术的不足，提供一种纳米硅碳材料的制备方法及其在锂电池的应用，该纳米硅碳材料包覆均匀，具有良好的分散性，且容量高，该纳米硅碳材料制备的锂离子电池负极具有良好的电子电导性和分散性。

本发明所采用的技术方案是：一种纳米硅碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按1:5的重量比选取碳源和硅粉，将碳源加入硅粉中混合均匀得到混合粉体；

(2)将混合粉体按固液比1:30加入溶剂中，同时加入分散剂，高速分散混合均匀后进行循环球磨，球磨的温度为50-60℃，球磨时间为6-10小时；

(3)将步骤(2)球磨后的浆料重新加入溶剂和分散剂进行二次球磨，球磨温度为50-80℃，球磨时间为8-10小时，二次球磨后得到混合浆料；

(4)将混合浆料进行干燥，干燥至含水量小于1000ppm，再将干燥后的研磨粉打散得到半成品粉体；

(5)对半成品粉体进行烧结，烧结温度控制在600-1000℃，烧结保护气氛为含氢气的惰性气体，烧结时间控制在4-12小时，烧结后将烧结料进行粉碎，粉碎后打散至纳米级别，即得纳米硅碳材料。

作为优选，所述硅粉选用0.1-50微米的粉体粗硅，再将粉体粗硅通过气流粉碎成粒径为2-5微米的硅粉。

作为优选，所述碳源包括石墨、氧化石墨烯、树脂、纤维素、沥青、硬碳、软碳中的一种或多种。

作为优选，所述溶剂为水、酒精、乙二醇、甘油、聚乙烯吡咯烷酮、丙酮、环己烷、丁酮、丁醇中、苯类中的一种或多种。