[发明专利]一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开一种锂离子电池硅薄膜负极材料的改性方法，包括以下步骤：(1)原料的分散；(2)喷涂液的预处理；(3)静电喷涂；(4)高温热解；(5)对步骤(4)得到的硅碳负极材料进行裁切、热压处理。本发明还提供上述制备方法制得的锂离子电池硅碳负极材料在制备锂离子电池中的应用。本发明直接将硅颗粒分散于有机体系中，通过静电纺丝技术加热解的方式获得碳包覆的锂离子电池硅碳负极材料，通过调节硅‑有机分散体系的组成、固含量、粘度以及介电常数配合静电喷涂的针头、电压以及距离等参数控制实现碳包覆量、包覆形态的调控，包覆效果明显，包覆效率高，包覆工序简单，大批量生产可有效节约成本。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法及其应用。

背景技术

在国家大力推进新能源产业的新形势下，锂离子电池因其高能量密度、长寿命、单体电芯额定电压高等优良性质脱颖而出，成为目前发展新能源产业的主要能源形式。商业化的锂离子电池较多采用碳质负极匹配磷酸铁锂或者三元正极材料，随着市场对高能量密度的锂离子电池的需求不断增大以及国家补贴政策门槛的提升，亟待解决锂离子电池能量密度较低和生产成本较高等问题。

高能量密度锂离子电池研发的突破可以从正负极材料入手，正极材料以高镍三元为代表，而硅基负极材料则是发展趋势所在。硅是目前已知比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料，但由于其巨大的体积效应(＞300％)，最终导致电化学性能的恶化。硅的氧化物在脱嵌锂过程中的体积膨胀率较小(如SiO仅为150％)，且同样具有较高的理论比容量(1200mAh/g以上)，但首次嵌锂过程中Li₂O和锂硅酸盐形成过程是不可逆的，同时Li₂O和锂硅酸盐导电性差，使得电化学动力学性能较差，因而其倍率性能差，随着循环次数继续增加，其稳定性仍然很差。此外，尽管纳米硅颗粒相对于微米硅颗粒有着更好的电化学性质，但当尺寸降至100nm以下时，硅活性颗粒在充放电过程中很容易发生团聚，而加快容量的衰减。

针对硅基材料体积膨胀以及由此造成的导电性下降、循环性能和倍率性能衰减等问题，主要通过复合及包覆碳质材料(石墨、中间相微球、炭黑、无定形碳以及碳纳米管等)来解决。碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，且自身导电性良好。另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选材料。在硅碳复合体系中，硅基材料作为活性物质，提供储锂含量，碳质材料既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善硅基材料的导电性，还能避免小颗粒在循环过程中的团聚，使得到的硅碳负极表现出高比容量和长循环寿命。

专利CN111952558A公开了一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法；专利CN109285994A公开锂离子电池硅碳负极材料的制备方法。目前一些主流的硅碳复合材料制备方法包括：1)采用高能球磨法结合化学气相沉积法，将硅直接沉积生长在碳纤维碳管表面，该方法步骤较为繁琐，量产困难；2)采用溶胶/凝胶法制备，碳凝胶的比表面积大，因此硅碳凝胶复合材料的首次不可逆容量很大；3)多步湿法制备，设计各种引发剂、分散剂以及各种混合、干燥及热处理步骤。上述这些制备方法或制备成本高，或无法精准控制硅碳比例和纳米级硅颗粒的团聚，都无法满足现有市场对高能量密度锂离子电池的需求。

静电纺丝法是一种简单有效的制备一维纳米结构的方法，并且相比于其他固相反应、溶胶凝胶和水热等方法，静电纺丝法也更容易获得活性材料与碳的均匀复合物。静电纺丝技术融合了电喷涂和传统的溶液干法纺丝纤维的优点，纤维直径可控且范围可覆盖几百纳米到几十微米。静电纺丝过程不需要使用化学凝固或高温从溶液中产生纺丝，这使得该工艺特别适用于生产大而复杂的微粒纤维。静电纺丝法可利用各种材料制备纳米纤维，是一种低成本、工艺简单的通用方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服硅基材料因充放电过程中因体积膨胀和较低的电导率导致的首次库伦效率、导电性能、倍率性能、循环性能的缺陷和不足。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：