[发明专利]一种制备硅-碳负极材料的方法和装置

说明书

本发明公开了一种制备硅‑碳负极材料的方法，其包括如下步骤：a、将硅源、碳源和碱性助剂加入去离子水中混合均匀，形成悬浊液；b、将所述步骤a得到的悬浊液在惰性气体氛围下进行雾化；c、将所述步骤b雾化后的物料送入惰性气体氛围的管式反应器中，进行热解，得到硅‑碳负极材料粉体。本发明制备硅‑碳负极材料的方法生产原料安全环保且过程中无有害物质排放，方法简单，能够连续操作，易于放大和规模化生产。

技术领域

本发明属于电池负极材料技术领域，具体涉及一种制备硅-碳负极材料的方法，特别地，本发明还涉及一种制备负极材料的装置。

背景技术

硅-碳复合负极材料兼具硅材料的高容量和碳材料的高电导率、低膨胀率，是有望取代石墨的下一代商用锂离子电池负极材料。随着电池技术的飞速发展，电池生产过程中，对制备电池材料的要求也越来越高，但是，现有技术的负极材料制备方法，会使用或产生大量有害物质或者制备的成品质量达不到使用要求，且制备过程存在连续性较差的问题。

因此，急需开发一种安全环保的且易于连续操作的硅-碳复合负极材料的制备方法。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：关于硅-碳复合粉体负极材料，无论是学术研究还是工程应用，制备技术都包含造粒和热处理两个主要的工艺过程，代表性的技术有以下“热解-研磨”和“喷雾-热解”两种。

1、“热解-研磨”法：CN101442124A公开了锂离子电池负极用复合材料的制备方法及负极和电池，该专利提供的硅-碳复合负极材料制备方法，以硅粉(纳米硅与微米硅的混合物)、石墨、碳前驱体(蔗糖、淀粉、糖精、葡萄糖、沥青、酚醛树脂等)和相应溶剂(水、醇、四氯化碳、喹啉、二甲基吡咯烷酮等)为原料，按一定的比例混合配制成浆料，脱除溶剂后，在惰性气氛下对原料混合物进行煅烧(600-750℃，8-12h)，然后进行球磨(20-30h)，再对粉料进行二次煅烧(900-1100℃，15-20h)和二次球磨(20-30h)，最终得到硅-碳粉体负极材料。

“热解-研磨”方法虽然单次处理的物料量大，目前规模化生产硅-碳复合负极仍然以该工艺为主，但是这类方法的缺点也很明显：部分热解碳源和溶剂为有害物质，生产过程安全性和环保性较差；以块体的形式对材料进行烧结，温度高、能耗大、耗时长；以球磨的方式进行造粒，处理时间长，形貌和粒度的可控性差；研磨过程对硅-碳复合结构造成一定程度的破坏，可能造成产品性能严重下降；工艺的连续性差，产品一致性不容易保证。

2、“喷雾-热解”法：Spray drying method for large-scale and high-performance silicon negative electrodes in Li-ion batteries.Nano Lett.2013,13,2092-2097，该学术论文报道了以纳米硅、纳米二氧化硅、蔗糖为原料，通过超声喷雾干燥-热解工艺制备具有多孔结构的硅-碳复合粉体的方法。该方法主要流程是：①将原料分散于水中形成均匀悬浊液浆料，浆料经超声雾化器处理形成气溶胶，并由载气空气夹带进入500℃管式炉中进行干燥而获得“硅-二氧化硅-蔗糖”复合粉体；②该复合粉体再送入700℃管式炉中，在氮气氛下进行热解碳化获得“硅-二氧化硅-碳”复合粉体；③碳化后的粉体再经HF刻蚀洗涤去除二氧化硅，干燥后获得多孔的“硅-碳”复合粉体。

“喷雾-热解”工艺，实现了硅-碳复合粉体的半连续制备和对材料微观结构与性能进行有效控制。但是，为了增强电荷在材料中的传输速率，普遍采用“氧化物等硬模板+酸液刻蚀”制备多孔结构，会产生经济性和环保方面的问题，并且模板刻蚀过程难以精确控制，极容易造成模板去除不彻底和过渡刻蚀硅源；硬模板制备的孔隙大，材料比表面积大大增加，引起过多的电极界面副反应，降低库伦效率；而且材料需要经历较长的后处理工序，需要多种装备进行配合，辅助操作时间较长，操作连续性较差。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。