[发明专利]一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法

说明书

本发明属于锂电池的制造技术领域，具体涉及一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，采用水热合成法制备金属有机框架ZIF‑8(碳源前驱体)，且在反应混合液中已分散均匀的纳米Si颗粒及KB在ZIF‑8上原位生长，获得的前驱体中纳米Si被KB/ZIF‑8均匀包覆。通过高温碳化KB/ZIF‑8的方法，获得KB/ZIF‑8的多孔碳骨架结构KB/C，其多孔结构能充分吸收电解液并且提高锂离子的迁移速率，且在充放电过程中为纳米Si颗粒的体积效应提供缓冲空间。引入KB到锂离子电池硅碳负极材料制备过程中，使硅碳负极的电子电导率显著提高，从而使硅碳负极充放电循环首效、倍率性能及循环性能得到不错提升。

技术领域

本发明属于锂离子电池制造领域，涉及一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法。

背景技术

随着人类社会的快速发展，传统锂离子电池的能量密度已经难以满足人们的使用需求，在电动汽车领域更是尤为突出。因此急需开发出具有更高能量密度的锂离子电池以应对市场需求。

目前商业化的石墨负极理论比容量为372mAh/g，相对较低，已经很难与高比容量的正极材料(高镍三元材料、富锂材料等)相匹配，极大限制了锂离子电池整体能量密度的提高。而硅负极却有高达4200mAh/g的理论比容量，且资源丰富，价格低廉。但其也存在自身难以避免的不足，如自身电导率低且在充放电过程中硅负极有高达300％以上的膨胀与收缩，由此产生的应力会使硅材料逐渐破碎、粉化，表面无法形成稳定的SEI膜，电池容量迅速衰减。因此需要与导电性好且在充放电过程中能为单质硅的体积效应提供缓冲空间的材料复合才能充分利用硅负极的高比容量优势同时又保证电池的循环稳定性及安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，该方法可有效缓解硅负极材料在充放电过程中的体积效应，提高其倍率性、可逆比容量、循环寿命及安全性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种锂离子电池硅碳负极的制备方法，包括以下步骤：

S1：称取六水硝酸锌、二甲基咪唑、纳米硅粉、分散剂、科琴黑(KB)质量比为(12～17)：(8～8.5)：1：(0.02～0.15)：(0.5～1)，溶解到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，经充分超声搅拌至完全溶解，制成分散均匀的混合溶液加入到水热反应釜中；

S2：将装有S1中制得的混合溶液的水热反应釜放置到烘箱中，加热到130～140℃，反应时间≥20h，在保温1～3h后自然冷却到室温25℃得到沉淀物，将沉淀物洗涤过滤后烘干获得KB/ZIF-8包覆纳米硅的前驱体；

S3：在管式炉中以950～1050℃高温碳化S2所得的前驱体，并通入惰性气体保护，进而获得硅碳复合材料；

S4：将S3获得的硅碳复合材料及碳材料按按质量百分比为(25％～50％)：(50％～75％)混合均匀后，最终获得锂离子电池硅碳负极材料。

优选的，S1中纳米硅粉平均粒径为80～250nm。

优选的，S1中所用的分散剂为聚丙烯酸、聚乙二醇对异辛基苯基醚、聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲溴化铵、三聚磷酸钠、聚氧乙烯脱水山梨醇单油酸酯、聚醚酰亚胺、聚苯乙烯磺酸钠、对乙基苯甲酸中的一种或至少两种组合。

优选的，S2中沉淀物的洗涤剂为DMF，且洗涤次数为3～5次。

优选的，S2中烘箱的升温速率为3～6℃/min。

优选的，S3中高温碳化时间为4～6h。

优选的，S3中硅碳复合材料中无定型碳、纳米Si和KB的质量比为1～4:1:0.5～1。

优选的，S3中保护气体为氩气、氮气、氖气、氦气等惰性气体中的一种；保护气体流量为100～200ml/min。