[发明专利]一种利用螺杆挤出机制备锂电池硅碳负极的方法

说明书

本发明涉及锂电池负极材料领域，公开了一种利用螺杆挤出机制备硅碳负极的方法。包括：（1）将纳米硅粉、石墨粉CMC、SBR、CTAB和去离子水混合为粘稠浆料，然后将浆料加入双螺杆挤出机的进料口一，向进料口二中加入液体石蜡，进料口三中加入石墨粉和PVDF，调节挤出机四个混料区域的阻尼模块和温度，螺杆挤出，得到硅碳负极前驱体材料；（2）将硅碳负极前驱体材料进行真空热处理，研磨细化，洗涤、干燥，即可得到硅碳负极材料。通过螺杆挤出机的螺杆剪切力作用和不同区域的温度和停留时间控制，使得硅碳负极实现二次包覆，从而更加有效实现了碳粉对硅粉的宏观包覆，有效提高了硅碳负极材料的包覆效率。

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料领域，公开了一种利用螺杆挤出机制备锂电池硅碳负极的方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、环境污染小和无记忆效应等优点，已经广泛应用于3C 电子产品、电动汽车、规模储能和航空航天等领域。近年来随着世界各国大力发展新能源汽车，锂离子电池技术面临前所未有的挑战，即提高电池能量密度和安全性能。随着国家新能源汽车领域的快速发展，为满足电动汽车长续航里程的需求，国家科技部要求2020年把锂离子动力电池单体比能量提高至300 Wh/kg。因此，高能量密度和高安全性锂离子电池的开发成为未来的重要的发展方向。

负极材料是锂离子电池的重要组成部分，占锂离子电池总成本的25~28%，它直接影响着电池的能量密度、循环寿命和安全性能等关键指标。传统锂离子电池的石墨负极已经无法满足现有需求，高能量密度负极材料成为企业研发的新热点。硅基负极材料因具有高的理论容量和较合适的脱-嵌锂电位(0.5V)，最有希望成为下一代高容量锂电池的负极材料。但是，硅材料在脱/嵌锂过程中，存在着较大的体积膨胀，这种结构上的膨胀收缩变化破坏了电极结构的稳定性，导致硅颗粒破裂粉化，造成电极材料结构的坍塌和剥落，使电极材料失去电接触，最终导致负极的比容量迅速衰减，使锂电池循环性能变差。

为了缓解其脱嵌锂过程中的体积变化和改善导电性，常用的方法是减小颗粒尺寸和引入导电碳相，将硅与导电性较好并且孔隙率较高的碳材料进行复合，以期解决硅材料的缺点，显著提高电池的理论比容量和循环性能。目前硅碳负极材料的制备方法主要有球磨法、高温裂解法、镁热还原法和气相沉积法等。其中，常用的球磨法设备简单，使用方便，不但可减小粒径，这样不仅可以缓解体积膨胀，还能缩短锂离子的扩散距离，从而改善材料的循环性能和倍率性能；然而普通球磨等工艺的碳包覆效果不佳。因此，研究改善硅碳负极材料的碳包覆效果的技术受到普遍重视。

中国发明专利申请号201810743893.7公开了一种高容量硅碳负极材料、制备方法及应用，制备方法包括以下步骤：将硅源、石墨粉和球磨介质混合，进行湿法球磨处理，抽滤，烘干，得到一种高容量硅碳负极材料。该发明先将硅粉、石墨和乙醇混合，再利用湿法球磨的方法，进行两次球磨即得到高容量硅碳负极材料。

中国发明专利申请号201810837167.1公开了一种硅碳负极材料的制备方法。包括以下步骤：（1）将硅粉或纳米硅和去离子水按照摩尔比1：（0.7~1.7）混合球磨4~48h；（2）将步骤（1）所得物干燥，然后煅烧1~4h，得到Si/SiO_X复合产物；（3）取Si/SiO_X复合产物和碳源，球磨4~48h；（4）将步骤（3）的混合物进行碳化，然后冷却至室温，继续球磨细化6h；（5）取步骤（4）得到的粉末用HF腐蚀4~48h，然后在5000~10000r/min条件下离心3~30min，干燥后即得硅碳负极材料。

根据上述，现有方案中用于锂电池硅碳负极材料的制备方法中，传统的球磨法等工艺很难使碳材料对硅粉实现有效包覆，因此球磨法等传统方法制备的硅碳负极循环性能普遍较差，而且难以实现连续化生产，本发明提出了一种利用螺杆挤出机制备硅碳负极的配方及硅碳负极制备方法，可有效解决上述技术问题。

发明内容

目前应用较广的锂离子电池硅碳负极材料制备过程中存在碳包覆效果不佳、难以连续生产的问题，影响了硅碳负极材料的发展和应用。