[发明专利]人造石墨为载体的锂电池硅碳复合负极材料的制备和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池电极材料制备领域，具体涉及一种人造石墨为载体的锂电池硅碳复合负极材料的制备和应用。

背景技术

锂电池与其它二次电池相比，具有电压高、能量密度大、循环寿命长、环境友好等优点，目前已经广泛应用于便携式电子产品和电动工具等领域，并有望成为未来混合动力汽车和纯动力汽车的主要能源供给之一。负极材料是评价锂电池综合性能优劣的关键因素之一。

目前商品化使用的锂电池石墨负极材料存在较低的理论容量（一般为372mAh/g），并且其容量进一步提高的空间很小，远不能满足未来高容量长寿命电子设备的需求。此外，碳负极电位与金属锂的电位十分接近。当碳负极材料过充电易引起金属锂的沉积析出，进而导致起火爆炸。

碳负极材料的上述缺点以及对高容量高安全性锂电池的需求激发起了人们对新型金属类储锂负极材料的研究。金属及合金类材料（如硅基材料、锡基材料和铝基材料等）是近年来研究得较多的新型高效储锂负极材料体系。其中，单质硅材料因具有极高的理论比容量（4200mAh/g）而备受关注。但在嵌/脱锂过程中表现出巨大的体积膨胀效应，使得材料结构易遭到破坏，进而引起首次效率和循环稳定性能较差。

有关硅的纳米化、合金化以及复合化等方法的综合运用成为了当前研究硅基材料的主要方向。目前主要集中在纳米硅湿法研磨、液相有机碳裂解包覆、电化学沉积和闭式喷雾干燥等方法综合制备硅基复合电极材料。其中纳米硅的均匀分散以及有机裂解碳的包覆均匀稳定性是决定电极材料电化学性能的的关键。其中闭式循环喷雾干燥具有合成工艺简单，溶剂能循环利用的低成本优势，生产效率高，易于工业化规模生产等优点。

申请号为201210169022.1的专利申请公开了一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法，该制备方法是通过不同的分散剂对石墨和纳米硅进行分散，采用阴阳离子电荷吸附方法将硅原子均匀分散在石墨原子核上，并通过一次高温烧结从而得到具有核壳结构的锂离子电池负极材料。但是在一次高温烧结后所得到的锂电池负极材料的网孔较大，虽说网孔的存在对缓冲Si的膨胀问题发挥了一定的作用，但同时也存在了一个比较严重的问题，就是降低压实密度，不利于工业化使用以及提高体积能量密度。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种人造石墨为载体的锂电池硅碳复合负极材料，该锂电池硅碳复合负极材料首次比容量达800mAh/g以上，首次充放电效率高、比容量高、循环性能好，解决了现有的硅基材料在实际制备锂电池负极的应用时存在的不可逆容量损失大、导电性能差以及循环稳定性差的问题。

本发明的另一目的在于提供上述人造石墨为载体的锂电池硅碳复合负极材料的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述人造石墨为载体的锂电池硅碳复合负极材料的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种人造石墨为载体的锂电池硅碳复合负极材料的制备方法，所述方法包括制备一次碳包覆的硅碳复合材料，或是将所述一次碳包覆的硅碳复合材料进行一次以上的再包覆工艺；

其中制备一次碳包覆的硅碳复合材料的方法如下：

（1）将纳米硅加入到无水乙醇中，并加入分散剂，然后超声0.5～2h，得到混合液A；其中混合液A的质量固含量在30%以内；

（2）将有机碳源加入到溶剂中并搅拌0.5～2h，得到混合液B；

（3）将人造石墨加入到无水乙醇中，并搅拌0.5～2h，得到混合液C；

（4）将步骤（1）得到的混合液A和步骤（2）得到的混合液B加入到步骤（3）得到的混合液C中，加入无水乙醇使整个分散体系的固含量为10～30%，并搅拌1～5h，得到混合液D；然后将混合液D进行闭式循环喷雾干燥制粉，得到前驱体A；

（5）将步骤（4）得到的前驱体A在惰性气体环境中升温至300～700℃，恒温保持3～10h，得到一次碳包覆的硅碳复合材料即为所述人造石墨为载体的锂电池硅碳复合负极材料；

其中再包覆工艺的步骤如下：

（a）将一次碳包覆的硅碳复合材料分散于无水乙醇中，搅拌0.5～2h，得到混合液E；其中混合液E的质量固含量在30%以内；

（b）将有机碳源加入溶剂，搅拌0.5～2h，得到混合液F；

（c）将步骤（b）得到的混合液F加入步骤（a）得到的混合液E中，加入无水乙醇使整个分散体系的固含量为10～30%，并搅拌1～5h，得到混合液G；然后将混合液G进行闭式循环喷雾干燥制粉，得到前驱体B；