[发明专利]采用碳纳米管制备锂离子电池硅碳负极材料的方法

说明书

本发明公开了一种采用碳纳米管制备锂离子电池硅碳负极材料的方法，本发明方法包括对碳纳米管的分散、固定以及前驱体的碳化；本发明通过高速乳化剪切将碳纳米管剪短分散，分散剂使得碳纳米管保持高度分散的状态，从而解决了碳纳米管分散难、易团聚的问题；通过冷冻干燥，有机碳源将高度分散的碳纳米管/纳米硅固定，有机碳源碳化后对碳纳米管/纳米硅形成碳包覆，以达到将碳纳米管高效制备锂离子电子硅碳负极材料的目的，本发明方法环保可再生，操作简单易行，对设备要求低、能耗低，可大规模生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，尤其涉及采用碳纳米管制备锂离子电池硅碳负极材料的方法。

背景技术

为了满足新能源汽车和便携式设备等对锂离子电池容量、能量密度日益增长的需求，碳硅负极材料成为引领未来锂离子电池负极材料的主导发展方向之一。碳硅负极材料的发展正是利用硅的超高的理论容量和低的嵌锂电位，且硅的资源丰富，环境友好。然而，硅材料本身的缺点也极其显著，如导电性差、循环性不好及膨胀率高；目前的研究普遍采用碳硅复合的方法以趋利避害，但硅碳复合的均匀性问题、容量衰减快、倍率性能差、制备方法复杂的难题仍没有攻克。

碳纳米管可以有效解决以上问题；碳纳米管是一种一维纳米材料，径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，可以看做是石墨烯片层卷曲而成，是锂离子和电子的优良导体，锂离子和电子通过碳管到达硅颗粒发生嵌插和脱出，最大程度地使硅发挥出其优点；但是碳纳米管存在易团聚和纠缠现象，要发挥碳纳米管的优异性能，如何在硅碳负极材料中均匀分散碳纳米管及固定是解决其高效应用的关键性问题。

发明内容

本发明提供了一种采用碳纳米管制备锂离子电池硅碳负极材料的方法，该方法通过高速剪切减小碳纳米管的轴向尺寸，剪切的同时含有纳米硅、分散剂的混合溶液得到充分的乳化，被剪短的碳纳米管周围布满纳米硅和分散剂可以有效抑制碳纳米管的再次团聚，加入有机碳源经过冷冻干燥形成多孔结构并保持碳纳米管高度弥散状态，经过真空碳化后形成的多孔碳为硅颗粒在电化学循环过程中的体积膨胀提供缓冲骨架。

本发明采用碳纳米管制备锂离子电池硅碳负极材料的方法，步骤如下：

（1）将硅粉、碳纳米管、分散剂用去离子水混匀，然后用高速剪切机对混合物进行剪切获得混合溶液，其中硅粉:碳纳米管:分散剂的质量比为1:（0.1～1）:（0.1～1），固体物质与去离子水的质量体积g:mL为1:50～100；

所述硅粉的粒径在30nm～1μm；

所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管的一种或任意比几种，碳纳米管管径为0.2～100nm；

所述分散剂为聚乙烯吡络烷酮、马来酸酐、苯乙烯中的一种或任意比几种；

所述混匀方式为机械搅拌、磁力搅拌、超声震荡的一种或几种；

所述高速剪切机的剪切速度为3000～8000r/min，剪切时间为1～3h。

（2）将有机碳源溶于去离子水中混合均匀，再与步骤（1）混合溶液混匀，将混匀后溶液置于水浴条件下搅拌，其中有机碳源与去离子水的质量比为1:2～10；

所述有机碳源为蔗糖、柠檬酸、抗坏血酸、葡萄糖中的一种或任意比几种；有机碳源与硅粉质量比为1:0.5～5；混匀方式为机械搅拌、磁力搅拌、超声震荡的一种或几种；

所述水浴条件下搅拌是在60～80℃下搅拌2～8h；搅拌方式为机械搅拌或磁力搅拌。

（3）将步骤（2）混合溶液冷冻干燥后获得固体混合物，将固体混合物在真空条件下碳化处理，制得碳纳米管/硅碳负极材料；

所述冷冻干燥条件为混合溶液厚度为5～10mm；冷阱盘管温度为-50～-80℃；极限真空度为1～20Pa；冷冻时间为24～48h；