[发明专利]一种硅碳复合负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，尤其涉及一种硅碳复合负极材料的制备方法。

背景技术

从1990年日本索尼公司研发出第一代锂离子电池并成功工业化生产后，锂离子电池已经发展了20多年。锂离子电池目前应用的领域主要有手机等移动电子设备、可携带电动工具、新能源汽车和储能电站等。

目前，商业化的锂离子电池负极材料主要采用人造石墨和天然石墨。石墨材料在电池充放电过程中，拥有体积膨胀系数小，库仑效率高以及优异的循环性能等优点，但是石墨材料的最大理论容量只有372mAh/g，低理论容量限制了锂离子电池的发展。

随着人们对电子产品的要求越来越高，研发高比容量的锂离子电池负极材料已经成为提高电池整体性能的关键。硅材料具有4200mAh/g的理论比容量以及较低的脱嵌锂电位的优点，被认为是一种可以代替石墨的负极材料，并成为锂离子电池材料界的研究重点。但是硅材料在脱嵌锂过程中会发生严重的体积膨胀效应，膨胀率高达300%，导致电池材料在充放电过程中发生粉化、脱落的现象，引起电池容量迅速衰减。为解决硅材料在充放电过程中材料的粉化问题，科研人员提出将硅纳米化，因为纳米硅可以降低材料的体积变化，降低电极粉化程度，但是纳米硅材料容易团聚，使得材料性能在应用过程中没有得到根本的改善。

科研人员提出采取纳米硅碳复合的方法，在一定程度上缓解了电极材料的粉化、脱落问题，但是由于有机物无法完全包覆石墨与硅，而且材料之间粘结不够紧密，在多次充放电循环后容量依旧有很明显的衰减，材料依旧存在严重的粉化现象。即使通过现有技术手段使有机物可以完全包覆纳米硅，但是有机物裂解碳的强度不高，导致有机物的含量过高会降低复合材料的容量，过低则不能有效限制纳米硅在充放电过程中体积膨胀的现象，仍然没有改善电池的整体性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，改善高容量电池的循环性能和电化学性能，研制一种制备简单、成本低廉、对环境友好且能改善电池整体性能的负极材料。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为提供一种硅碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将纳米硅、石墨、有机物分别分散后均匀混合，加热至75~85℃搅拌成固含量为94%~97%的浆料后烘干，再加热至超过有机物软化点温度之上40~90℃（使有机物呈具有良好流动性的液态，能紧密地与硅和石墨接触并粘结），待熔融粘结完全后冷却磨成粉末，再升温至200~450℃后保温进行低温碳化，得到一次包覆材料；

（2）将有机物与一次包覆材料分别分散后均匀混合，加热至75~85℃搅拌成固含量为94%~97%的浆料后烘干，再加热至超过有机物软化点温度之上40~90℃（使有机物完全地包覆在石墨与纳米硅材料表面，减少石墨、纳米硅与电解液的直接接触面积），待熔融包覆完全后冷却磨成粉末，再升温至600~950℃后保温进行高温碳化，得到包覆有有机物裂解碳的二次包覆材料，即为所述的硅碳复合负极材料。

上述的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，纳米硅、石墨、有机物的质量比为1:3~8:0.5~1.5。

优选的，所述步骤（1）中，纳米硅为纳米硅球形颗粒、纳米硅管和纳米硅线中的一种或几种；更优选的，所述纳米硅球形颗粒粒径小于90nm，纳米硅管的直径小于90nm，纳米硅线的直径小于90nm。

优选的，所述步骤（1）中，石墨为人造石墨和天然石墨中的一种或两种；更优选的，所述石墨粒径为1~5μm。

优选的，所述步骤（1）和（2）中，有机物为蔗糖、葡萄糖、果糖、淀粉、酚醛树脂和沥青中的一种或几种；更优选的，所述有机物粒径小于50μm。

优选的，所述步骤（2）中，有机物与一次包覆材料的质量比为1:7~10。

优选的，所述步骤（1）和（2）中，低温碳化和高温碳化的升温速率为1~10℃/min，保温时间为1~6h，整个保温过程处于惰性气体的保护气氛中。

优选的，所述步骤（1）和（2）中，熔融时间为1~8h。

优选的，所述步骤（2）后得到的有机物裂解碳包覆层的厚度小于20μm。

优选的，所述步骤（2）后得到的硅碳复合负极材料的密度为0.7~2.2g/cm³。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：