[发明专利]一种煤基硅碳复合负极材料其制备方法

说明书

本发明公开的一种煤基硅碳复合负极材料及其制备方法，包括内核和外壳以及在内核与外壳之间的多孔中间层，内核为石墨化碳材料，中间层为多孔SiOx/Si/Li2SiOy复合物；本发明公开的一种煤基硅碳复合负极材料及其制备方法，旨在解决硅基负极材料的膨胀，在不降低导电性的基础上提高材料首次库伦效力，同时以无烟煤为碳源、以硅藻土为硅源，降低材料制备成本，有利于实现硅基负极材料的工业化生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种煤基硅碳复合负极材料其制备方法。

背景技术

能量密度的提升一直是锂离子电池技术发展的主旋律，一种是通过优化电池结构，如宁德时代CPT技术、比亚迪“刀片电池”等思路；另一种着力于突破高容量材料的技术壁垒，这也是目前电池厂家采取的主流方式。正负极材料是提升锂离子电池能量密度的关键，虽然正极材料在电池中占据核心地位，但石墨类负极材料的理论克容量为372mAh/g，成为其能量进一步提升的限制条件，硅基复合材料具有较高的比容量及较低的脱嵌锂电位，被认为是最具潜力的新一代锂电池负极材料。

硅基材料在充放电过程中会产生约300％体积变化，从而引发电极开裂、剥离和粉化，最终造成电极容量衰减甚至完全失效，为了改善硅基负极材料的循环稳定性，通常将硅材料纳米化或与碳材料进行复合，通常对碳源、硅源材料要求比较高，制造成本高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种煤基硅碳复合负极材料及其制备方法，旨在解决硅基负极材料的膨胀，在不降低导电性的基础上提高材料首次库伦效力，同时以无烟煤为碳源、以硅藻土为硅源，降低材料制备成本，有利于实现硅基负极材料的工业化生产。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种煤基硅碳复合负极材料，包括内核和外壳以及在内核与外壳之间的多孔中间层，内核为石墨化碳材料，多孔中间层为多孔SiOx/Si/Li2SiOy复合物。

进一步的，石墨化碳材料由无烟煤高温石墨化得到，中间层以硅藻土为硅源，外壳为碳包覆层。

本发明还提供一种煤基硅碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，无烟煤预处理得到石墨化碳材料，硅藻土预处理得到纯化的多孔SiO2粉末；

步骤二，将锂粉与步骤一中得到的多孔SiO2粉末混合，在保护气氛下进行反应，得到多孔的SiOx/Si/Li2SiOy复合物；

步骤三，将分散剂、步骤一得到的石墨化碳材料和步骤二得到的多孔的SiOx/Si/Li2SiOy复合物分散在溶剂中后进行研磨，得到前驱体浆液；

步骤四，将步骤三中得到的前驱体浆液进行喷雾干燥、融合、造粒后进行高温碳化和气相包覆，即得到煤基硅碳复合负极材料。

进一步的，步骤一中，无烟煤预处理的具体步骤为：将无烟煤先进行第一热处理，对热处理后的无烟煤进行破碎、酸洗、水洗或醇洗、烘干，进行第二热处理，然后进行粉碎，得到石墨化碳材料；硅藻土预处理具体步骤为：将硅藻土进行第三热处理，然后破碎、酸洗、水洗、烘干、粉碎，得到纯化的多孔SiO2粉末。

进一步的，酸洗时采用质量分数＞70％的硫酸，在70℃-100℃、液固比为(2-5):1的情况下下酸洗1h-4h；酸洗和水洗或醇洗交替进行多次，直至洗液的pH在6-8之间；第一热处理温度600℃-800℃，第二热处理温度为2800℃-3200℃，第三热处理温度为400℃-750℃，第一热处理、第二热处理和第三热处理的保温时间均为1h-4h。

进一步的，步骤二中，锂粉和多孔SiO2粉末混合时的质量比为1:(0.5-3)，锂粉和多孔SiO2粉末在温度为600℃-900℃反应条件下进行热还原。