[发明专利]一种添加到硅基负极中的多孔碳材料及硅基负极和锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，针对目前制备高级多孔结构石墨材料应用在硅基负极上成本高昂的问题，本发明的目的在于提供一种添加到硅基负极中的多孔碳材料，公开一种添加到硅基负极中的多孔碳材料，以生物质材料为原料，经高温隔氧硬化、粒径细化、低温隔氧预碳化、混碱煅烧、清洗、干燥制成。本发明提供了一种可添加到锂离子电池硅碳负极片中的多孔碳材料，利用廉价的生物质原料经特定工艺制成，获得丰富的微孔结构，通过多孔碳的微孔结构为硅材料体积膨胀提供了足够的缓冲空间，提升锂离子电池的循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种添加到硅基负极中的多孔碳材料及硅基负极和锂离子电池。

背景技术

近几十年来，先进储能装置的发展使得锂离子二次电池的能量密度不断提高，尽管有许多新的探索性研究，硅材料由于高容量和资源丰富等特点，仍然被认为是最有前途的负极材料。在这方面，近年来许多研究重点关注硅纳米颗粒和石墨材料物理混合后得到的硅基负极，利用石墨材料的稳定性缓解硅材料的体积膨胀，这就要求石墨材料具备良好的微观多孔结构，能够提供足够的缓冲空间降低充放电过程中硅材料膨胀带来的机械应力。

目前高级多孔结构石墨材料制备时间长，成本昂贵，难以扩大市场规模，因此亟需制备廉价的碳材料优化硅碳硅基负极材料的电化学性能。而现有技术方案主要侧重于硅材料界面化学成分的改善，没有考虑对极片微观结构的优化，关于硅材料与价格低廉的多孔碳材料复合的研究相对较少。比如中国专利申请CN201910907245.5的专利提出了一种锂电池硅基负极材料的制备方法，即通过在原料中加入一定量合金减少硅基复合材料中晶区的比例，改善硅材料界面化学成分，来提高电极循环稳定性。

发明内容

针对目前制备高级多孔结构石墨材料应用在硅基负极上成本高昂的问题，本发明的目的在于提供一种添加到硅基负极中的多孔碳材料，利用廉价的生物质炭为原材料制备得到多孔碳材料，利用多孔碳的微孔结构为硅材料体积膨胀提供了足够的缓冲空间，从而提升硅基负极和锂离子电池的循环稳定性，克服当前高级多孔结构石墨材料应用困难的问题。

本发明的另一目的在于提供使用该多孔碳材料的硅基负极，多孔碳材料添加到硅基负极中，替代部分石墨，提升硅基负极的稳定性。

本发明的再一目的还在于提供使用了该多孔碳材料或者含有该多孔碳材料的硅基负极的锂离子电池，与一般的锂离子电池相比具有更高的循环稳定性。

本发明提供如下的技术方案：

一种添加到硅基负极中的多孔碳材料，所述多孔碳材料以生物质材料为原料，经高温隔氧硬化、粒径细化、低温隔氧预碳化、混碱隔氧煅烧、清洗、干燥制成。

本发明的多孔碳材料可以采用廉价的生物质为原料，经上述过程处理后具备丰富的微孔结构，可以为硅材料体积膨胀提供足够的缓冲空间。

作为本发明的优选，所述高温隔氧硬化为将生物质材料在惰性气氛中900～1000℃加热保持40～60min。通过高温隔氧硬化将生物质原料转化成硬质碳，可以提高后续研磨效果和均匀程度，短时间内减少碳颗粒粒径。

作为本发明的优选，所述粒径细化后的物料粒径为5～20μm。通过细化粒径，控制平均粒径5-20μm，保持电池良好的稳定性。粒径过大比表面积低，锂离子脱嵌通道少，降低材料的可逆容量，粒径过小比表面积高，充放电过程中负极表面副反应速度快，降低了电池的循环寿命。在本技术方案中，具体的粒径细化过程为：在室温下将硬质碳材料在球磨机中进行研磨，球碳质量比为1:20～30，每次研磨，研磨时间为25～35分钟，每次研磨间隔时间为5～10分钟。

作为本发明的优选，所述低温隔氧预碳化为将粒径细化后的物料惰性气氛下400℃～500℃预碳化3～6小时。研磨后多孔碳材料由大颗粒变为小颗粒，暴露更多的新鲜表面，低温预碳化可以进一步除去新鲜表面带有的官能团，使得氢氧化钾或氢氧化钠的腐蚀处理更加彻底，否则碱会和表面的官能团发生反应，再与碳材料反应，降低了腐蚀效果和速度。