[发明专利]球形硅碳负极材料及其制备方法和装置、锂电池负极和锂电池

说明书

本发明涉及锂电池负极材料领域，公开了一种球形硅碳负极材料及其制备方法和装置、锂电池负极和锂电池。所述球形硅碳负极材料的制备方法包括以下步骤：(1)将沥青与球形石墨及纳米硅粉混合均匀，得到硅碳混合浆料；(2)将所述硅碳混合浆料经喷雾炭化成球，得到含硅炭微球和高温油气的混合物；(3)将所述混合物进行气固分离，得到球形硅碳负极材料其中，所述含硅炭微球的粒径为3‑20μm。应用本发明的技术方案制备得到的负极材料具有球形度好、压实密度大、比容量高、充放电循环性能优异的特点。同时，本发明以化工副产物沥青和硅粉为原料，经济和生态效益显著，能耗低，工艺流程简单，操作控制及时，污染小，适合工业化连续生产。

技术领域

本发明涉及负极材料领域，具体涉及一种球形硅碳负极材料及其制备方法和装置、锂电池负极和锂电池。

背景技术

锂离子电池具有比容量高、工作电压高、安全性好、无记忆效应等一系列的优点，广泛应用于新能源汽车、笔记本电脑、手机和储能设备中。负极材料作为电池核心部件之一，对电池综合性能起着关键性作用。在锂电负极材料中，碳基负极材料中石墨的理论比容量为372mAh/g，而硅基负极材料的理论比容量为4200mAh/g，但其在充放电循环中，体积膨胀，会出现活性物质粉化脱落、容量快速衰减等问题。研究发现，硅碳复合负极材料在充放电循环中，碳相作为缓冲骨架的支撑基体，能够有效的保持结构的稳定性，缓解硅相在脱嵌锂时的体积变化，提高复合负极的电化学稳定性，而硅相可以大幅度提高碳相的存储锂量，提高复合负极的比容量。

但现有硅碳负极材料的制备方法如化学气相沉积法、溶胶凝胶法机械球磨法、高温热解法存在如成本高、工艺条件不易控制、硅分散性较差、颗粒易团聚、循环稳定性差、难以工业化生产等难题，仍需进一步研究。例如CN107565115B中公开了一种化学气相沉积法制备硅碳负极材料的方法，但存在成本高、工艺条件不易控制、难以工业化生产的问题。CN108598430B中公开了一种硅碳负极材料制备方法，其先采用碳源包覆硅粉、碳微粉后，经喷雾干燥和炭化处理后制备多孔硅碳微球负极材料，但其喷雾干燥温度在85℃，在后续炭化升温过程中，添加的碳源易使硅碳微球黏连团聚在一起，继续升温将使球体变形破碎，影响负极材料的比容量和循环稳定性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的硅碳负极材料制备成本高、工艺条件不易控制，多次升温能耗高、包覆碳源易使硅碳微球黏连团聚、升温炭化使球体变形破碎，导致负极材料比容量和循环稳定性差的问题，提供一种球形硅碳负极材料及其制备方法和装置、锂电池负极和锂电池。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种球形硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将沥青与球形石墨及纳米硅粉混合均匀，得到硅碳混合浆料；

(2)将所述硅碳混合浆料经喷雾炭化成球，得到含硅炭微球和高温油气的混合物；

(3)将所述混合物进行气固分离，得到球形硅碳负极材料；

其中，所述含硅炭微球的粒径为3-20μm。

本发明第二方面提供一种球形硅碳负极材料，所述负极材料通过第一方面所述的制备方法制备得到。

本发明第三方面提供一种锂电池负极，包含集流体和负载在所述集流体上的负极材料，所述负极材料包含第二方面所述的负极材料。

本发明第四方面提供一种锂电池，所述锂电池中负极为第三方面所述的锂电池负极。

本发明第五方面提供一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备装置，包括依次连通的硅碳混合浆料预制单元10，喷雾炭化成球单元20和气固分离单元30；

其中，所述硅碳混合浆料预制单元10包括原料预混系统11，以及和原料预混系统11的出口连通的硅碳混合浆料进料系统12；