[发明专利]一种低成本制备石墨包覆纳米硅锂电池负极材料的方法

说明书

本发明提出一种低成本制备石墨包覆纳米硅锂电池负极材料的方法，所述方法是将膨胀石墨板材加入四氯化硅中加热处理，获得负载Si⁴⁺的改性膨胀石墨板，接着使用氢气作为气源进行等离子体处理获得纳米硅颗粒插层石墨板，再与金属锂片接入直流电源，在六氟磷酸锂/碳酸乙烯酯溶液中进行锂嵌入，之后将石墨板干燥、粉碎，得到石墨包覆纳米硅锂电池负极材料。本发明提供的石墨包覆纳米硅锂电池负极材料具有十分优异的分散性，同时可以有效抑制负极材料的体积膨胀，原料易得，成本低廉，工艺简单，相比现有工艺具有明显的成本优势。

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料的技术领域，特别是涉及一种低成本制备石墨包覆纳米硅锂电池负极材料的方法。

背景技术

锂离子电池兼有能量密度大、循环寿命长、工作电压高等优点，是最具有前景的储能技术之一。目前，锂离子电池已经在便携式消费类电子产品领域实现广泛应用，同时也在电动汽车产业和电网储能产业等领域展现出巨大潜力。锂离子电池的容量决定于正极材料的活性锂离子以及负极材料的可嵌脱锂能力，正负极在各种环境下的稳定性决定电池的性能发挥，甚至严重影响电池的安全性，因此，电极的性能在一定程度上决定了锂离子电池的综合性能。

锂离子电池电极材料中，目前商业化锂离子电池负极材料主要为石墨类碳负极材料，石墨碳具有导电性能好，结晶度高，具有良好层状结构，适合锂的脱嵌，充放电比容量高的优势，其理论比容量仅为372mAh/g，严重限制了锂离子电池的进一步发展。硅基材料是在研负极材料中理论比容量最高的研究体系，理论比容量高达为4200mAh/g，因其低嵌锂电位、低原子质量、高能量密度，被认为是碳负极材料的替代性产品。

然而，硅作为半导体材料，自身电导率较低，在电化学循环过程中，会使材料体积发生较大程度的膨胀和收缩，使材料逐渐粉化，结构坍塌，最终导致电极活性物质与集流体脱落，丧失电接触，同时，纳米硅在制备的过程中不可避免的会遇到纳米硅粉的团聚，从而导致电化学性能降低。同时，纳米硅原料的价格相对较高，作为锂电池负极材料成本过高，难以实现商业化。因此，针对硅碳负极材料的分散性提高和降低原料成本需要进一步深入优。

中国发明专利申请号201210169022.1公开了一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法，制备方法包括：石墨分散液、硅研磨分散液制备，将硅研磨分散液加入到石墨分散液中，热处理。中国发明专利申请号201410282686.8公开了一种硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：（1）在化学气相沉积反应室内放置催化剂；（2）加热化学气相沉积反应室，往化学气相沉积反应室内通入反应气体源和载气，将化学气相反应过程中产生的Si-SiO_x通过动态旋转的经过羧基化处理的碳基体，制得硅碳负极材料的前驱体；（3）对前驱体进行有机热解碳包覆处理，然后在非氧化气氛中煅烧得到硅碳负极材料。中国发明专利申请号201210534860.4公开了一种石墨烯包覆硅碳复合负极材料的制备方法，其制备方法为：将纳米硅、石墨微粉，均匀分散于氧化石墨烯的分散液中，喷雾干燥后，在惰性保护气氛下进行热处理，后随炉冷却，即得石墨烯包覆硅碳复合负极材料。

为了显著提升锂电池硅负极材料的分散性，抑制体积膨胀效应，同时有效降低硅负极材料的原料成本，有必要提出一种新型复合纳米硅负极材料，进而促进锂电池硅基负极材料的发展和应用。

发明内容

针对目前锂电池硅基负极材料存在分散性较差、体积易膨胀以及原料成本高昂的问题，本发明提出一种低成本制备石墨包覆纳米硅锂电池负极材料的方法，从而提高了硅负极材料的分散性，有效抑制负极材料的体积膨胀，而且制备工艺简单，降低了成本。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：