[发明专利]一种核壳结构复合颗粒及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种核壳结构复合颗粒及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：(1)将负极材料粉体、木薯粉和水充分匀浆后进行喷雾干燥，得到粉体/木薯粉混合颗粒；其中，所述负极材料粉体与木薯粉的质量比为1:(2‑5)；(2)将所述粉体/木薯粉混合颗粒与热固性酚醛树脂混合后，进行低温热处理，炭化，得到粉体/多孔炭/无定形炭颗粒；其中，所述粉体/木薯粉混合颗粒与热固性酚醛树脂的质量比为1:(0.55‑0.7)。本发明的核壳结构复合颗粒外层炭保证了结构强度，避免了木薯粉炭化收缩导致的外层坍塌；外层致密均匀，减少了其与电解液发生副反应导致的能量密度降低；内部多孔有效缓解了负极材料的体积膨胀问题，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种核壳结构复合颗粒及其制备方法和应用。

背景技术

硅(Si)作为一种高效、环保的可充电电池负极材料，其理论容量(～3600mAhg^-1)显著高于商用石墨负极材料(350-365mAhg^-1)。然而，硅基负极在锂化过程中体积膨胀巨大，同时与有机电解质具有高反应性，导致容量的迅速衰减。此外，Si具有较低的导电性，这也限制了其实际应用。对于硅基负极来说，合理的结构设计是一种有效解决其所面临的大部分问题的方法。因此，核壳结构、yolk-shell结构和中空结构等各种结构设计方法被开发出来以适应硅基材料的体积变化。其中，一种有效的策略是将硅颗粒封装在具有空隙的炭球内形成核壳结构。该复合结构的优势在于外炭层和内部负极颗粒之间存在缓冲空间，容纳了硅负极的体积膨胀，同时外层炭颗粒可以避免硅负极与电解液直接接触，并缓解了硅负极的导电性较差的问题。

Si/C具有内部空隙的核壳结构的有效性已得到许多报道的证实。为了制备这种核壳结构，现有技术中通常采用溶胶凝胶法水解SiO₂包覆Si基阳极，然后以蔗糖、葡萄糖、聚多巴胺和间苯二酚甲醛树脂等为碳源包覆进行碳化包覆，最后用氢氟酸(HF)选择性蚀刻SiO₂牺牲层。然而，这种制备方法过程复杂昂贵，不易规模化制备，去除牺牲层所用的HF不环保，在处理过程中需要特别的预防措施。同时，空隙导致内部的负极颗粒与外炭层接触位点较少，限制了锂离子传输和电子转移。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术中Si/C核壳结构制备方法复杂，去除牺牲层所用的HF不环保的缺陷，从而提供了一种核壳结构复合颗粒及其制备方法和应用。

本发明是通过下列技术方案解决上述技术问题。

本发明提供了核壳结构复合颗粒的制备方法，其包括如下步骤：

(1)将负极材料粉体、木薯粉和水充分匀浆后进行喷雾干燥，得到粉体/木薯粉混合颗粒；其中，所述负极材料粉体与木薯粉的质量比为1:(2-5)；

(2)将所述粉体/木薯粉混合颗粒与热固性酚醛树脂混合后，进行低温热处理，炭化，得到粉体/多孔炭/无定形炭颗粒；其中，所述粉体/木薯粉混合颗粒与热固性酚醛树脂的质量比为1:(0.55-0.7)。

步骤(1)中，所述负极材料粉体为本领域常规所说的负极材料粉体，可为Si粉、Sn粉、SiO_x粉、Fe₂O₃粉、Ge粉、Sb粉或SnS₂粉。

其中，所述负极材料粉体的D50粒度可为100nm-2μm，较佳地为200nm-1μm。

步骤(1)中，所述负极材料粉体、木薯粉和水的质量比较佳地为1:(2-5):(8-20)，例如1:3:10或1:5:18。

步骤(1)中，所述喷雾干燥为本领域常规喷雾干燥。

步骤(2)中，所述热固性酚醛树脂为本领域常规热固性酚醛树脂。本领域技术人员应当知晓，所述热固性酚醛树脂是一种稳定、耐热、阻燃、电绝缘性能好的树脂，例如，酚醛树脂2123。