锂离子电池阳极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池阳极材料及其制备方法。所述锂离子电池阳极材料包括纳米一氧化硅、石墨和无定形碳包覆层；所述纳米一氧化硅颗粒嵌入或包裹于石墨中，无定形碳包覆层覆盖于石墨的外表面。所述制备方法是利用高速分散混合机和机械融合机制备阳极材料的方法。与现有技术相比，使用本发明专利技术锂离子电池阳极材料制备的电池，具有循环性能优异、电芯膨胀小等优点，非常适用于消费类电子产品；而且本发明专利技术的方法具有工艺简单、环境友好、适合于大规模量产的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于锂离子电池领域，更具体地说，本专利技术涉及一种循环性能优异的锂离子电池阳极材料及其制备方法。
技术介绍
随着电子设备向便携式和小型化的发展，目前被广泛使用于商业化的石墨质量比容量已经被发挥至极限，由于本征的局限，石墨已无法满足锂离子电池对更高能量密度的需求。在这样的背景下，人们逐渐将目光转入高储锂的硅材料上。硅材料的理论克容量高达4200mAh/g，为石墨的十倍以上，然而，其致命的弱点就是在脱嵌锂过程中，体积变化高达300％以上，这大大影响了材料本身的稳定性和制备成电池后的可用性，也就严重影响了使其商业化的步伐。为了改变上述状况，科研人员退而求其次，在损失克容量的前提下，通过合金化来降低硅材料的体积膨胀；如今通过不懈地努力，业界普遍认为最有希望应用于商业化的硅合金材料是一氧化硅。一氧化硅的可逆容量约为1400mAh/g，根据目前对锂离子电池阳极材料的克容量要求，现有技术基本都是将其与石墨按一定比例简单混合来使用。但是，一氧化硅的体积膨胀虽然相对于纯硅材料要小得多，相对于石墨却依然很大，由于与石墨简单混合后的一氧化硅在电极中依然会与电解液直接接触，因此其在不断循环过程中产生的体积膨胀将导致颗粒外层的SEI膜不停地破碎而产生新的界面；随着充放电的进行，新鲜界面需要重新消耗电解液来形成新的SEI；如此循环下去，不仅造成大量电解液的重复消耗，而且还会在一氧化硅表面沉积越来越厚的副产物，从而导致锂离子扩散困难，颗粒间电接触不良；在如此多方因素的作用下，电池的循环寿命被大大缩短。解决上述问题的关键就在于避免一氧化硅与电解液直接接触，同时又要保证一氧化硅本征的体积膨胀不会影响到电极整体的膨胀。为此，有人提出使用化学有机溶剂分散纳米硅，试图实现将纳米硅颗粒分散于石墨颗粒间隙中，制备出Si/C复合材料；然而，该方法制备出来的材料，更多的纳米硅颗粒仅仅是附着于石墨颗粒的表面，而并非是置于颗粒内部，因此本质上并没有改变硅与电解液直接接触的状况，对于电池循环寿命的改善也就非常有限；另外，大量使用有机溶剂还使得产品处理复杂化，对环境很不友好，不利于实现大规模生产。还有人提出使用球磨法将Si或者SiO嵌入石墨间隙中，但是该工艺也存在很大弊端：首先，将石墨与纳米硅材料直接放置在球磨机中进行高能球磨，球磨介质如锆珠的存在，会不可避免地在原材料(石墨和硅合金)中引人外来物质，同时还会使得石墨颗粒被再次粉碎变细，导致其无法为硅合金提供足够的容纳空间；再者，由于硅合金是纳米级别的粉末，其在球磨过程中很容易发生团聚，也就不会均匀分布于石墨颗粒的内部孔隙中，这无疑会影响到所制备阳极材料的电化学性能。有鉴于此，确有必要提供一种能够将一氧化硅颗粒复合于石墨中的方法，并使用该方法制备出一种循环性能优异的锂离子电池阳极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种能够将一氧化硅颗粒复合于石墨中的方法，以避免一氧化硅与电解液直接接触，从而克服因一氧化硅本征体积膨胀带来的电极膨胀，达到有效改善电芯变形、延长电池循环寿命的目的；本专利技术的另一目的是提供上述方法制备出的、具有优异循环性能的锂离子电池阳极材料。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种锂离子电池阳极材料制备方法，其包括以下步骤：1)将纳米一氧化硅和石墨放置于高速分散混合机中混合均匀；2)将混合体转移至机械融合机中融合研磨，研磨频率为2000～6000r/min，研磨时间为10～60min，得到石墨包裹纳米一氧化硅的首次前驱体；3)将首次前驱体和有机高分子放置于高速分散混合机中混合均匀，随后再转入机械融合机中，在2000～6000r/min频率下研磨10～60min，得到二次前驱体；4)将二次前驱体放置入高温回转炉里，在惰性气体保护下，高温裂解碳化，得到锂离子电池阳极材料。所述步骤2)中研磨时间大于10min、频率大于2000r/min，是因为只有在这种前提条件下才能使纳米一氧化硅完全嵌入人造球形石墨中或被天然片状石墨包裹；但如果时间大于30min、频率大于6000r/min，则对石墨颗粒表面的破坏会加剧，同时也会造成不必要的能耗。与现有技术相比，本专利技术锂离子电池阳极材料制备方法不仅工艺简单，而且环境友好，不易破坏石墨颗粒，也不会引入外来物质，可实现大规模量产。作为本专利技术锂离子电池阳极材料制备方法的一种改进，所述步骤1)或3)的混合时间优选为10～30min。相关物料在高速分散混合机中的混合时间大于10min是为了使相关物料能够得到充分地分散，保证后期处理所得物料的均匀性；混合时间大于30min后，物料的分散性与均一性已经稳定，没有必要继续耗能。作为本专利技术锂离子电池阳极材料制备方法的一种改进，所述步骤4)的高温裂解温度优选为600-1100℃。这是因为温度低于600℃，有机高分子得不到充分碳化，将会恶化材料的电化学性能，如首次效率变低；但如果温度高于1100℃，则会导致一氧化硅发生歧化反应，改变材料本征物性而带来不利的效果。作为本专利技术锂离子电池阳极材料制备方法的一种改进，所述步骤3)中首次前驱体和有机高分子的质量比为49:1～4:1。作为本专利技术锂离子电池阳极材料制备方法的一种改进，所述有机高分子为沥青或酚醛树脂。为了实现上述专利技术目的，本专利技术还提供了一种锂离子电池阳极材料，其包括纳米一氧化硅、石墨和无定形碳包覆层；所述纳米一氧化硅颗粒嵌入或包裹于石墨中，无定形碳包覆层覆盖于石墨的外表面。本专利技术锂离子电池阳极材料将纳米一氧化硅颗粒嵌入或者包裹于石墨中，避免了一氧化硅颗粒与电解液的直接接触。因此，在发生电化学反应时，是石墨与电解液的接触形成SEI膜，由于石墨本身的膨胀率小，在其表面形成的SEI膜在随后的循环过程中能够保持稳定性，从而有效抑制种种不良反应；而在石墨内部的一氧化硅与石墨紧密接触，因此导电性能够得到保证，从而使得电化学反应顺利进行。另外，由于一氧化硅与石墨复合过程难免会破坏原有石墨颗粒的表面而增加其表面活性点，以致在随后的电化学反应过程中需要消耗更多的锂离子来形成SEI膜，或者有极少量一氧化硅颗粒可能会裸露在石墨表面，因此本专利技术在石墨外包覆一层软碳，以便对石墨表面进行修饰，减少其活性点，提高首次效率，并在避免裸露的一氧化硅与电解液直接接触的同时，增加了一层导电碳层而减小了其极化。因此，与现有技术相比，使用本专利技术锂离子电池阳极材料制备的电池，具有循环性能优异、电芯膨胀小等优点，非常适用于消费类电子产品。作为本专利技术锂离子电池阳极材料的一种改进，所述纳米一氧化硅在阳极材料中的质量比优选为5-40％。这是因为如果其质量少于5％，所制备阳极材料的容量比石墨提高有限，但如果掺入量高于40％，则无法保证所有的纳米一氧化硅颗粒都能嵌入或者包裹于石墨中，一旦有多余的纳米一氧化硅裸露于石墨外，将会因与电解液直接接触而导致阳极材料的电化学性能恶化。作为本专利技术锂离子电池阳极材料的一种改进，所述石墨为人造球型石墨或天然片层石墨，也可以是二者的混合；纳米一氧化硅颗粒嵌入并分散于人造球型石墨颗粒的内部空隙中，或是包裹于球化后的天然片层石墨中。这是因为人造球形石墨一般是二次颗粒，其里面的所含的空隙率较高，而且空隙空间足够大，能够有效容纳一氧化硅颗粒；而天然片层石墨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池阳极材料，其特征在于：包括纳米一氧化硅、石墨和无定形碳包覆层；所述纳米一氧化硅颗粒嵌入或包裹于石墨中，无定形碳包覆层覆盖于石墨的外表面。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池阳极材料，其特征在于：包括纳米一氧化硅、石墨和无定形碳包覆层；所述纳米一氧化硅颗粒嵌入或包裹于石墨中，无定形碳包覆层覆盖于石墨的外表面。2.根据权利要求1所述的锂离子电池阳极材料，其特征在于：所述纳米一氧化硅在阳极材料中的质量比为5-40％。3.根据权利要求1所述的锂离子电池阳极材料，其特征在于：所述石墨为人造球型石墨或天然片层石墨，也可以是二者的混合；纳米一氧化硅颗粒嵌入并分散于人造球型石墨颗粒的内部空隙中，或是包裹于球化后的天然片层石墨中。4.根据权利要求3所述的锂离子电池阳极材料，其特征在于：所述人造球型石墨的孔隙率为大于30％，天然片层石墨的片层大小为50～500μm。5.根据权利要求1所述的锂离子电池阳极材料，其特征在于：所述纳米一氧化硅颗粒的粒径为20-500nm。6.根据权利要求1所述的锂离子电池阳极材料，其特征在于：所述无定形碳包覆层的厚度为20-200nm。7.一种锂离子电池阳极材料制备方法，其特征在于，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄起森，
申请(专利权)人：宁德时代新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35