[发明专利]一种硅碳复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电池材料技术领域，公开了一种硅碳复合负极材料及其制备方法和应用，该制备方法包括以下步骤：将石墨负极粉溶于酸溶液中，固液分离，取沉淀物并洗涤，干燥，加入还原剂，进行热处理，得到提纯后的石墨材料；向石墨材料加入改性硅粉混合，再加入到含有聚酰亚胺的二甲基甲酰胺溶液中搅拌，蒸馏，再进行碳化处理，得到硅碳复合负极材料。本发明不仅采用酸浸的方式对回收的石墨负极粉进行提纯，还采用在氯气气氛下加入还原剂进行热处理对回收的石墨负极粉进行进一步提纯，提高了回收后石墨粉的纯度。

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种硅碳复合负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池材料因其具有电压高、比容量高、循环性能优越，重量轻便等优点，锂离子电池得到广泛地应用，且具有广阔的应用前景，市场占有率日益增大，也改变了资源需求从化石燃料转向锂电池燃料，并且日益增加了这种资源的稀缺性。

随着新能源汽车的快速产业化和迅猛发展，作为重要零部件之一的动力锂离子电池被大量的应用。然而随着锂离子电池在使用过程中不断充放电的进行，电池的性能会逐渐衰减，当衰减到一定程度时电池将进行降级利用或者报废处理。而目前我们国家废旧电池的回收率还很低，特别是随着经济的发展，锂离子电池得到越来越广泛的应用和大规模的发展，带来的资源短缺问题和环境问题将日趋严重，废旧电池的回收处理也越来越受到人们的普遍关注。大量的废旧电池如果不能得到有效地回收处理，不仅对生态环境和人体健康造成危害，同时造成资源的浪费。如何绿色无污染地资源化回收锂离子电池是新能源汽车产业链急需解决的问题。

目前，针对废旧锂离子电池的回收利用主要集中在正极材料的回收研究，且更关注钴酸锂以及三元材料的分离和提纯。由于废旧锂离子电池中含有高达97％的石墨等碳材料，因此，对负极石墨进行回收和再利用是非常有意义的。

硅基负极材料因其较高的理论比容量(高温4200mAh/g，室温3580mAh/g)、低的脱锂电位(＜0.5v)、环境友好、储量丰富、成本较低等优势而被认为是极具潜力的高能量密度锂离子电池负极材料。然而,由于硅负极材料在充放电过程中伴随着锂离子的嵌入和脱出，硅体积发生300％以上的膨胀和收缩，大幅度的膨胀与收缩使硅主体材料结构遭到严重破坏，最终导致电极活性物质与集流体脱离，导致电池循环性能大大降低。此外，硅负极材料的导电性差是限制其应用的另外一个关键因素。目前解决这类问题的主要方法是通过纳米化缓解硅的体积膨胀，以及利用无定形碳包覆和与碳材料进行复合从而提高导电性能。其原理是碳作为分散基体可以缓冲硅负极在锂脱嵌时的体积变化，保持结构的稳定性；同时，碳的高导电性可提高电池内部的导电性。有相关技术报道了一种硅碳负极材料的制备方法，将碳纳米管和碳纳米纤维沉积到纳米硅粉表面或嵌入到纳米硅粉颗粒之间形成核，在核的表面包覆碳层。其首次比容量大于500mAh/g，循环60周容量保持率大于92％。但其制备方法过于复杂，且需要用专门仪器操作。另外又有相关技术报道了硅碳负极的制备方法，通过二次酸洗，制备多孔硅材料，再进行碳包覆，制备硅碳负极材料。但是此法成本较高，无法实现大规模应用；目前，通常采用商业石墨材料制备生产硅碳负极材料，生产成本较高。

发明内容

本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种硅碳复合负极材料及其制备方法和应用，其具有操作方便、生产成本低和能耗低等优点，适用于工业化生产。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种硅碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.将石墨负极粉溶于酸溶液中，固液分离，取沉淀物并洗涤，干燥，加入还原剂，进行热处理，得到提纯后的石墨材料；

S2.向所述石墨材料加入改性硅粉混合，再加入到含有聚酰亚胺的二甲基甲酰胺溶液中搅拌，蒸馏，再进行碳化处理，得到硅碳复合负极材料。

优选地，步骤S2中，所述改性硅粉为硅烷偶联剂溶液改性的硅粉；所述硅烷偶联剂溶液是由醋酸水溶液水解硅烷偶联剂得到。