硅碳负极材料、其制备方法及锂离子电池技术

本发明专利技术提供一种硅碳负极材料、其制备方法及锂离子电池。该硅碳负极材料的原料包括硅材料、石墨碳材料、粘结剂和添加剂，所述硅碳负极材料包括：硅碳复合物和包覆在所述硅碳复合物外面的碳质层，其中，所述硅碳复合物由所述硅材料和所述石墨碳材料复合而成，所述碳质层是无定形碳包覆层。按照所述硅碳负极材料的总质量计算，所述硅材料的质量比为10‑60％，所述石墨碳材料的质量比为30‑80％，所述碳质层的质量比为3‑20％。根据本发明专利技术的硅碳负极材料克服和解决了目前硅负极材料在高容量条件下，循环稳定性差、导电率低、效率低下等的劣势。

Silicon Carbon Anode Material, Its Preparation Method and Lithium Ion Battery

The invention provides a silicon carbon negative electrode material, a preparation method thereof and a lithium ion battery. The raw material of the silicon-carbon negative material includes silicon material, graphite-carbon material, binder and additive. The silicon-carbon negative material includes a silicon-carbon composite and a carbon layer coated on the outside of the silicon-carbon composite. The silicon-carbon composite is composed of the silicon material and the graphite-carbon material, and the carbon layer is an amorphous carbon coating. According to the total mass calculation of the silicon-carbon negative material, the mass ratio of the silicon material is 10 to 60%, the mass ratio of the graphite-carbon material is 30 to 80%, and the mass ratio of the carbonaceous layer is 3 to 20%. According to the invention, the silicon-carbon negative material overcomes and solves the disadvantages of the current silicon negative material, such as poor cyclic stability, low conductivity and low efficiency under high capacity conditions.

【技术实现步骤摘要】
硅碳负极材料、其制备方法及锂离子电池
本专利技术涉及一种硅碳负极材料、其制备方法及锂离子电池，更具体地，涉及一种用于锂离子电池的具有高能量密度的硅碳负极材料、其制备方法以及在高能量密度动力电池中作为负极的应用。
技术介绍
由于锂离子电池具有高电压、高容量的重要优点，且循环寿命长、安全性能好，使其在便携式电子设备、电动汽车、储能、空间技术、生物医学工程、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，成为近十年以及未来很长一段时间广为关注的研究和新能源产业发展热点。硅在常温下可与锂合金化，生成Li15Si4相，理论比容量高达3572mAh/g，远高于商业化石墨理论比容量(372mAh/g)，并且在地壳元素中储量丰富(26.4％，居第2位)，同时成本低廉、环境友好，因此硅负极材料一直备受科研和产业界人员关注和开发，是目前最具潜力和最看好的下一代锂离子电池负极材料。然而，单质硅在充放电过程中存在巨大的体积膨胀，最高可达300％。巨大的体积效应及较低的电导率等缺点限制了硅负极技术的商业化大规模应用。
技术实现思路
鉴于现有技术中的上述问题，为解决上述这些问题的全部或至少一者，提出了本专利技术。本专利技术的一方面提供了一种硅碳负极材料，克服和解决了目前硅负极材料在高容量条件下，循环稳定性差、导电率低、效率低下等的劣势。该硅碳负极材料的原料包括硅材料、石墨碳材料、粘结剂和添加剂，所述硅碳负极材料包括：硅碳复合物和包覆在所述硅碳复合物外面的碳质层，其中，所述硅碳复合物由所述硅材料和所述石墨碳材料通过所述粘结剂和添加剂复合而成，所述碳质层是无定形碳包覆层，并且其中，按照所述硅碳负极材料的总质量计算，其中所述硅材料的质量比为10-60％，所述石墨碳材料的质量比为30-80％，所述碳质层的质量比为3-20％。根据本专利技术的一方面，所述碳质层的厚度为0.1mm-0.5mm。根据本专利技术的一方面，所述硅材料包括纳米硅粉，所述石墨碳材料包括改性石墨，所述粘结剂和添加剂包括蔗糖、葡萄糖、酚醛树脂、淀粉、明胶、沥青、碳纳米管、石墨烯、异丙醇、聚苯胺、聚乙烯吡咯烷酮和科琴黑中的至少一种，其中，所述纳米硅粉的粒度D50为1nm-100nm，并且其中，所述改性石墨包括鳞片石墨、土状石墨、球形石墨及人造石墨中的至少一种。根据本专利技术的一方面，所述改性石墨为鳞片石墨，粒度D50为1μm-30μm，并且为不同粒度的鳞片石墨组合。本专利技术的另一方面提供了一种可工业化大批量制备、生产工艺简单、循环稳定性好的硅碳负极材料的制备方法，所述制备方法包括：制备步骤，制备硅材料、石墨碳材料、粘结剂和添加剂作为原料；混合步骤，将所述石墨碳材料与所述硅材料在溶于有机溶剂的粘结剂和添加剂溶液中进行混合并搅拌，在预定温度下进行干燥直到有机溶剂完全挥发，生成由所述硅材料和所述石墨碳材料复合而成硅碳复合物；以及炭化步骤，对所得的硅碳复合物进行炭化烧结以形成作为无定形碳包覆层的碳质层，制得所述硅碳负极材料，其中，按照所述硅碳负极材料的总质量计算，其中所述硅材料的质量比为10-60％，所述石墨碳材料的质量比为30-80％，所述碳质层的质量比为3-20％。根据本专利技术的另一方面，所述炭化步骤的烧结温度为600-1200℃，升温速度为1-10℃/min，烧结时间为5-20小时。本专利技术的又一方面提供了一种锂离子电池，其包括如上所述的硅碳负极材料。本专利技术的又一方面，所述硅碳负极材料的容量在480-550mAh/g，并且在循环100次后，容量仍保持在92％以上。根据本专利技术示例性实施例的硅碳负极材料克服和解决了目前硅负极材料在高容量条件下，循环稳定性差、导电率低、效率低下等的劣势。此外，本专利技术还提供了一种可工业化大批量制备、生产工艺简单、循环稳定性好的硅碳负极材料的制备方法。通过本专利技术的制备方法，制备了容量在480-550mAh/g的硅碳负极材料，并且在循环100次后，容量仍保持在92％以上。根据下面参照附图对示例性实施例的描述，本专利技术的另外的特征将变得清楚。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是根据本专利技术实施例1所制备的硅碳负极材料的SEM(扫描电子显微镜)图。图2是根据本专利技术实施例1的硅碳负极材料在充放电条件下的容量变化图。图3是根据本专利技术的硅碳负极材料的制备流程图。图4是根据本专利技术的制备石墨碳材料的流程图。具体实施方式在下文中将参照附图详细地描述本专利技术的实施例。应当理解，下述实施例并不意图限制本专利技术，并且，关于根据本专利技术的解决问题的手段，并不一定需要根据下述实施例描述的各方面的全部组合。为简化起见，对相同的结构部分或者步骤，使用了相同的标记或标号，并且省略其说明。相比于硅负极材料中的单质硅在充放电过程中的体积膨胀、巨大的体积效应及较低的电导率等缺点，硅碳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和优异的导电性，而且碳负极材料本身是离子与电子的混合导体。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基质。在Si/C复合体系中，Si颗粒作为活性物质，提供储锂容量；C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。因此本专利技术的Si/C复合材料综合了二者的优点，表现出高比容量和较长循环寿命，非常适合应用于新一代的锂离子电池。现在参照附图描述根据本专利技术的实施例的硅碳负极材料的结构、制备方法及应用等。本专利技术的硅碳负极材料的原料包括硅材料、石墨碳材料、粘结剂和添加剂。下面对各原料进行详细说明。[石墨碳材料]本专利技术中的石墨碳材料包括改性石墨。改性石墨可以为鳞片石墨、土状石墨、球形石墨、人造石墨中的一种或几种。换言之，改性石墨包括鳞片石墨、土状石墨、球形石墨、人造石墨的至少一种。优选地，改性石墨为鳞片石墨，粒度D50为1μm-30μm，并且为不同粒度的鳞片石墨组合。根据本专利技术，对鳞片石墨(例如天然鳞片石墨)在一定的条件下进行粉碎、整形和分级，使粒度在上述合适的范围内，以制备根据本专利技术实施例的石墨碳材料。具体地，粉碎方法可以采用现有技术中的任何已知的方法，只要能够获得本专利技术所需的粒度即可。[硅材料]本专利技术中的硅材料包括纳米硅粉，其中硅粉的粒度D50为1nm-100nm。根据本专利技术，对硅粉在一定的保护条件下进行粉碎，使硅材料的粒度在上述合适的范围内，以制备根据本专利技术实施例的硅材料。具体地，粉碎方法可以采用现有技术中的已知的方法，例如，在保护气体的氛围下采用挤压粉碎和冲击粉碎等物理粉碎方法。然而，本专利技术不限于此，可以采用已知的任何粉碎方法，只要能够获得本专利技术所需的粒度即可。[粘结剂和添加剂]本专利技术中的粘结剂和添加剂为下述物质中的至少一种：蔗糖、葡萄糖、酚醛树脂、淀粉、明胶、沥青、碳纳米管、石墨烯、异丙醇、聚苯胺、聚乙烯吡咯烷酮、科琴黑。粘结剂和添加剂起到粘结和分散的作用。然而，本专利技术不限于上述粘结剂和添加剂，可以使用能够实现粘结和分散作用的有机物。[硅碳负极材料]本专利技术的硅碳负极材料包括硅碳复合物和包覆在硅碳复合物外本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅碳负极材料，其原料包括硅材料、石墨碳材料、粘结剂和添加剂，所述硅碳负极材料包括硅碳复合物和包覆在所述硅碳复合物外面的碳质层，其中，所述硅碳复合物由所述硅材料和所述石墨碳材料通过所述粘结剂和添加剂复合而成，所述碳质层是无定形碳包覆层，并且其中，按照所述硅碳负极材料的总质量计算，所述硅材料的质量比为10‑60％，所述石墨碳材料的质量比为30‑80％，所述碳质层的质量比为3‑20％。

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料，其原料包括硅材料、石墨碳材料、粘结剂和添加剂，所述硅碳负极材料包括硅碳复合物和包覆在所述硅碳复合物外面的碳质层，其中，所述硅碳复合物由所述硅材料和所述石墨碳材料通过所述粘结剂和添加剂复合而成，所述碳质层是无定形碳包覆层，并且其中，按照所述硅碳负极材料的总质量计算，所述硅材料的质量比为10-60％，所述石墨碳材料的质量比为30-80％，所述碳质层的质量比为3-20％。2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其中，所述碳质层的厚度为0.1mm-0.5mm。3.根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其中，所述硅材料包括纳米硅粉，所述石墨碳材料包括改性石墨，所述粘结剂和添加剂包括蔗糖、葡萄糖、酚醛树脂、淀粉、明胶、沥青、碳纳米管、石墨烯、异丙醇、聚苯胺、聚乙烯吡咯烷酮和科琴黑中的至少一种，其中，所述纳米硅粉的粒度D50为1nm-100nm，并且其中，所述改性石墨包括鳞片石墨、土状石墨、球形石墨、人造石墨中的至少一种。4.根据权利要求3所述的硅碳负极材料，其中，所述改性石墨为鳞片石墨，粒度D50为1μm-30μm，并且为不同粒度的鳞片石墨的组合。5.一种硅碳负极材料的制备方法，所述制备方法包括：制备步骤，制备硅材料、石墨碳材料、粘结剂和添加剂作为原料；混合步骤，将所述石墨碳材料与所述硅材料在溶于有机溶剂的粘结剂和添加剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾岩，张根昌，王禹，李春晓，
申请(专利权)人：丰域科技北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11