[发明专利]一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂电池领域，具体涉及一种硅碳材料的制备方法及其在锂离子电池负极上的应用。

背景技术

当代社会的能源危机以及环境问题日益严重，寻找一种新型的清洁能源已经迫在眉睫。在此背景下，锂离子电池因其具有高能量密度，长循环寿命以及环境友好等特点，已经基本占领便携式电子设备市场。除此以外，其在电动汽车，便携式电源以及大规模储能方面具有广阔的应用前景。

现阶段商业化锂离子电池的负极材料主要为改性天然石墨和人造石墨，其理论比容量只有 372 mAh/g，难以满足市场需求。硅由于具有较高的理论比容量和较低的嵌锂电位而引起广泛关注。Li和Si可形成合金Li_4.4Si，理论比容量高达4200 mAh/g，但是硅在与锂合金化的过程中会产生很大的体积效应(高达300%)，导致电极结构的崩塌和活性材料的剥落，使电极材料失去电接触，造成容量迅速衰减，加之硅的导电性差，严重阻碍了纯相硅作为锂离子电池负极材料的实用化。硅碳复合负极材料中硅作为活性物质，提供储锂容量；碳作为分散基体，缓冲硅颗粒嵌脱锂时的体积变化，保持电极结构的完整性，并维持电极内部电接触。因此硅碳复合材料综合了两者的优点，表现出高的比容量和较长的循环寿命，有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。

但目前在硅碳负极材料的制备方面仍存在着以下问题：①首次库伦效率低；②循环寿命短；③倍率性能差；④材料生产效率低下；⑤原料的成本高昂，不利于产业化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种锂电池硅碳负极材料的制备方法，该方法可明显提升首次库伦效率及循环性能，制备过程简单、高效、环保，有利于硅碳负极材料的大规模生产。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤。

步骤（1）：原料处理：将微米级硅粉放入氧化锆的球磨罐中，加入氧化锆球，抽真空，以200-400转/分钟交替球磨6-12h，然后过筛分离，制得纳米级硅粉。

步骤（2）：原料与导电剂的混合：将步骤（1）中获得的纳米级硅粉与导电剂同时放入球磨罐中，以200-400转/分钟交替运行12-24h，获得纳米硅与导电剂的均匀粉末。

步骤（3）：无定型碳包覆：在搅拌罐中加入溶剂，同时加入可溶解的碳源前驱体，开启高速搅拌机，待碳源前驱体完全溶解后，将步骤（2）中的纳米硅与导电剂的均匀粉末加入搅拌罐中继续高速搅拌，通过改变溶剂用量以调整包覆料的粘稠度，搅拌完全后放入烘箱进行干燥。

步骤（4）：烧结：将上述产物放入惰性气体气氛炉中在600-1200℃下高温烧结6-10h，得到烧结产物。

步骤（5）：制粉：将烧结产物放入氧化锆球磨罐中进行制粉，烧结产物与氧化锆球的质量比为1:3，以200-300转/分钟的转速运行20-40分钟，制得D50=15-20μm的硅碳材料。

步骤（6）：硅碳负极材料制备：将硅碳材料与商用石墨按质量比1:5-9混合制成硅碳负极材料。

进一步地，所述微米级硅粉为D50=5μm的多晶、单晶硅粉中的一种或多种；制备得到的纳米级硅粉D50=10-900nm。

进一步地，所述步骤（1）原料处理的具体方法为：将微米级硅粉与氧化锆球体按照一定质量比添加至氧化锆罐体中，以200-400转/分钟正转30分钟后静置5分钟，静置完成后以200-400转/分钟反转30分钟，继续静置5分钟，然后继续正转，如此往复，满足总球磨时间12-24h。

进一步地，所述原料与导电剂的均匀粉末液相包覆的溶剂为水、乙醇、丙酮、正丁醇、N-甲基吡咯烷酮、甲苯中的一种或多种，优选N-甲基吡咯烷酮。所述高速搅拌机的分散方法为500-1000转/分钟运行30-90分钟，优选800转/分钟运行60分钟。

进一步地，所述微米级硅粉与氧化锆球体的质量比为1:3-5，优选1:3。

进一步地，所述步骤（2）中，纳米硅粉和导电剂的质量比为10:1-3，优选10:2。

进一步地，所述步骤（3）中，碳源前驱体、纳米硅与导电剂的质量比为2-5:10：1-3，优选2:10:2。

进一步地，所述导电剂为石墨烯、碳纳米管、Super-P、炭黑、乙炔黑、导电石墨中的一种或多种，优选Super-P。

进一步地，所述碳源前驱体为蔗糖、葡萄糖、淀粉、聚苯乙烯、聚氯乙烯、羧甲基纤维素钠、沥青中的一种或多种，优选沥青。