[发明专利]一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备工艺和设备

说明书

本发明公开了一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备工艺和设备，负极材料包括基材和沉积在基材表面的纳米硅，所述基材为碳材料，所述纳米硅通过等离子增强化学气相沉积工艺沉积在基材表面，所述等离子增强化学气相沉积工艺过程中，基材在沉积区为流态化运动状态，所述等离子增强化学气相沉积工艺在流态化等离子气相沉积炉内进行，所述流态化等离子气相沉积炉内设有正极板和负极板，所述正极板和负极板之间为沉积区，所述基材在负极板的振动作用下在沉积区作流态化运动。本发明通过基材在沉积过程的流态化流动，确保纳米硅均匀且牢固的分布在碳材料上，解决了纳米硅因游离而抱团的问题，将其作为锂离子电池负极材料可以有效提高电池的工作性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，更具体地，涉及一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备工艺和设备。

背景技术

锂离子电池是一种较为成熟的二次电池，随着社会不断进步和不断发展，人们对锂离子电池负极材料的要求越来越高，传统石墨类负极材料由于容量已接近372mAh/g的理论容量，已不能进一步满足电子设备小型化要求和车用电池的大功率、高能量密度要求。硅碳负极材料是一种可替代石墨负极材料的先进的锂离子电池负极材料，其市场占有率正快速增长。

现有的硅碳负极材料制备工艺普遍采用高能磨工艺制备硅碳负极材料中的硅氧化物纳米颗粒，由于纳米硅氧化物与碳材料均为游离态，纳米硅氧化物抱团现象无法解决，导致纳米硅氧化物无法均匀的分布在碳材料中，加上纳米硅氧化物颗粒与碳的结合不严密或粘接力不强，严重影响了锂离子电池的快充性能和使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种锂离子电池硅碳负极材料，该负极材料包括基材和沉积在基材表面的单质纳米硅颗粒，基材在沉积过程中流态化流动，并采用等离子增强化学气相沉积工艺，可确保纳米硅均匀且牢固的分布在基材表面，在确保锂离子电池容量高能量密度的前提下，有效提高了锂离子电池的快速充放电能性能和循环性能。

本发明的另一目的在于提供上述锂离子电池硅碳负极材料的制备工艺，工艺过程简单，制备的负极材料均匀一致，可大规模工业化生产，实现产业化。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种锂离子电池硅碳负极材料，包括基材和沉积在基材表面的纳米硅，所述基材为碳材料，所述纳米硅通过等离子增强化学气相沉积工艺沉积在基材表面，所述等离子增强化学气相沉积工艺过程中，基材在沉积区为流态化运动状态，所述等离子增强化学气相沉积工艺在流态化等离子气相沉积炉内进行，所述流态化等离子气相沉积炉内设有正极板和负极板，所述正极板和负极板之间为沉积区，所述负极板具有振动输料功能，所述基材在负极板的振动作用下在沉积区作流态化运动。

进一步地，所述正极板的数量在1个以上，每个正极板可单独接入工作气体和等离子发生器；所述负极板的振动频率和振动幅度分别独立可调。

进一步地，所述基材为石墨烯、碳纳米片、碳纳米管、碳纤维、人造石墨、天然石墨、中间相微球、软碳、硬碳中的至少一种。

进一步地，所述纳米硅为颗粒状，粒度为1～200nm。

本发明沉积过程中，以碳基体材料作为载体，使沉积后的纳米硅与基材之间形成了相对固定的位置关系，消除了游离状纳米硅，彻底解决了纳米硅抱团的技术难题，基材在沉积区为流态化运动状态，可使纳米硅均匀稳定的分布在基材表面，基材还有利于吸收纳米硅在充放电过程中的体积膨胀。

一种上述锂离子电池硅碳负极材料的制备工艺，包括以下步骤：

S1.将基材放入流态化等离子气相沉积炉中，对沉积炉进行抽真空处理；

S2.对沉积炉进行升温，并使基材在负极板的振动作用下在沉积区作流态化运动；

S3.向沉积炉内通入稀释气体，接通等离子发生器，随后加入硅源气体，在基材表面沉积纳米硅，得到产品A；