一种高首效硅碳负极材料及其制备方法、锂离子电池技术

本发明专利技术公开了一种高首效硅碳负极材料及其制备方法、锂离子电池，涉及锂离子电池技术领域，硅碳负极材料的制备方法包括步骤S1备料、S2混合、S3烧结，所述S1备料包括S1.1硅料制备和S1.2碳料制备，所述S1.1硅料制备的具体过程如下：将硅粉、氧化亚硅粉和还原剂混合，并进行砂磨、烘干，得到硅料，所述硅粉占硅粉和氧化亚硅粉总质量20‑50wt%，所述还原剂为水溶性有机物且占硅粉和氧化亚硅粉总质量的10‑20wt%。还原剂起到抑制二氧化硅生成的作用，提高负极材料的首次充放电效率，且还原剂在S3烧结过程中也可作为碳源的一部分进行包覆，提高一定优势的电化学性能，且会和硅表面反应，减小硅的比表面积，从而提高首效。

【技术实现步骤摘要】
一种高首效硅碳负极材料及其制备方法、锂离子电池
本专利技术涉及锂离子电池
，特别涉及一种高首效硅碳负极材料及其制备方法、锂离子电池。
技术介绍
在绿色化学电源领域，相对于传统的铅酸电池、锌锰电池、镍镉电池、镍氢电池而言，锂离子电池因其具有能量密度高、循环寿命长、环境友好等优点，是目前新能源汽车的主要动力电池之一。锂离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜、外壳组成，其中负极材料是锂电池储存锂的主体，使锂离子在充放电过程中嵌入与脱出。硅理论嵌锂容量高达4200mAh/g，且来源广泛、成本低，是目前认为最有望取代石墨成为下一代高能量密度锂离子电池负极材料。然而，它本身也存在着诸多问题：1、硅颗粒在脱嵌理时由于体积膨胀和收缩而导致的颗粒粉化、脱落以及电化学性能失效；2、硅颗粒表面固体电解质层(SEI)持续生长，导致对电解液以及来自正极的锂源的不可逆消耗等，这使得以硅作为负极制备的电池循环性差，首次效率低下。因此要想将硅应用在电池中，首要问题是解决体积膨胀问题，并提高其导电性。目前为止，对于硅基材料的改性方法很多，常见的有纳米化、多孔结构化和复合化等，通过使硅与碳复合，制备硅碳材料改善其电子通道，减小其应变是将硅基材料应用于电池负极的一个重要途径，具有良好的应用前景。其中硅作为活性物质提供高储锂容量，碳作为分散基体缓冲硅颗粒嵌在充放电过程中的体积变化，保持电极结构的完整性，并维持电极内部的电接触。硅碳负极材料的制备方法主要有化学气相沉积法、溶胶凝胶法、高温热解法、机械球磨法、水热合成法、静电电纺等。喷雾干燥法制备的硅/碳复合材料中硅材料能够实现均匀分散，使其形貌类球形，而且制备的复合材料保持了较高的可逆比容量、循环性能。总的来说，关于硅碳负极材料的研究大多向着更高容量、更大倍率充放电性能、稳定的循环性能和更好的安全性能等方面发展，开发大规模制备低成本、性能稳定的硅碳复合材料，提高材料导电性能和循环稳定性能，是行业发展趋势。公开号为CN108598430A的中国专利公开了一种硅碳负极材料制备方法及多孔硅碳微球负极材料，硅碳负极材料制备方法包括：研磨硅粉浆料，得到磨后硅粉浆料。对碳微粉进行石墨化处理，得到石墨化碳微粉。搅拌磨后硅粉浆料，在搅拌过程中持续向磨后硅粉浆料中加入石墨化碳微粉，加入包覆碳源，并进行超声处理，并同时搅拌，然后进行喷雾干燥，得到硅碳微球；对硅碳微球进行碳化处理，得到碳化硅碳微球；对碳化硅碳微球进行刻蚀处理，然后对碳化硅碳微球洗涤干燥，得到多孔硅碳微球负极材料。按照上述制备方法制得硅碳负极的过程中，部分硅粉易氧化得到二氧化硅，使其储锂容量降低，影响负极材料的性能。
技术实现思路
针对上述技术缺陷，本专利技术的第一目的是提供一种高首效硅碳负极材料的制备方法，其制得的硅碳负极材料性能高。本专利技术的第二目的是提供一种高首效硅碳负极材料，其具有高首效和优良的循环性能。本专利技术的第三目的是提供一种锂离子电池。为实现上述第一目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种高首效硅碳负极材料的制备方法，包括步骤S1备料、S2混合、S3烧结，所述S1备料包括S1.1硅料制备和S1.2碳料制备，所述S1.1硅料制备的具体过程如下：将硅粉、氧化亚硅粉和还原剂混合，并进行砂磨、烘干，得到硅料，所述硅粉占硅粉和氧化亚硅粉总质量20-50wt%，所述还原剂为水溶性有机物且占硅粉和氧化亚硅粉总质量的10-20wt%。通过采用上述技术方案，硅料制备过程中，还原剂起到抑制二氧化硅生成的作用，保证负极材料的高储锂容量，进而提高负极材料的首次充放电效率。还原剂作为水溶性有机物，在S3烧结过程中也可作为碳源的一部分进行包覆，提高一定优势的电化学性能，且会和硅表面反应，减小硅的比表面积，从而提高首效。相比于晶体硅，氧化亚硅在嵌锂过程中的体积膨胀大大减小，因此循环性能也得到了极大的提高，但是其具有首次效率低的缺点。因此氧化亚硅和硅粉复配作为硅料，可充分发挥两种材料的性能，使负极材料具有优良的首效和循环性能。本专利技术进一步设置为：所述还原剂为柠檬酸和抗坏血酸中的一种或两种通过采用上述技术方案，多种还原剂复配对于抑制二氧化硅生成的效果好，且成本低。还原剂优选为柠檬酸和抗坏血酸等比复配，其对硅的包覆更加紧致，进一步减小比表面积，提高首效。本专利技术进一步设置为：所述S1.1硅料制备中，砂磨至50-300nm。本专利技术进一步设置为：所述S1.2碳料制备的具体过程如下：将水、酒精、碳源混合，以2500-3500r/min的转速均匀搅拌1-4h，得到碳料，碳源占水质量的5-20wt%，碳源占酒精质量的10-50wt%。本专利技术进一步设置为：所述碳源为葡萄糖、蔗糖、沥青中的一种或多种。本专利技术进一步设置为：所述S2混合的具体过程如下：将碳料和硅料混合，碳料占总质量5-20wt%，均匀搅拌1-4h，得到混合物。本专利技术进一步设置为：所述S3烧结的具体过程如下：混合物先进行喷雾干燥，再进行高温烧结，温度800-1000℃，持续3-10h，接着与人造石墨混合，混合物占总质量的5-20wt%，制得硅碳负极材料。本专利技术进一步设置为：所述S3烧结中，喷雾干燥的温度为180-250℃。为实现上述第二目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种高首效硅碳负极材料，其按照上述制备方法制得。为实现上述第三目的，本专利技术提供了如下技术方案：一种锂离子电池，负极材料为上述高首效硅碳负极材料。综上所述，本专利技术具有以下有益效果：硅料制备过程中加入水溶性有机还原剂，抑制二氧化硅的生成，使负极材料仍保持大容量，首次充放电效率高且循环性能好。附图说明图1是实施例一制得的硅碳负极材料的SEM图谱。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。实施例一：一种高首效硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：S1备料：S1.1硅料制备：按重量份，将30份硅粉、70份氧化亚硅粉、5份柠檬酸和5份抗坏血酸混合，并进行砂磨至50nm、烘干，得到硅料；S1.2碳料制备：将100份水、50份95%酒精、5份葡萄糖和5份沥青混合，以3000r/min的转速均匀搅拌2h，得到碳料；S2混合：将10份碳料和90份硅料混合，均匀搅拌2h，得到混合物；S3烧结：混合物先进行喷雾干燥，温度180℃，再进行高温烧结，温度900℃，持续6h，接着将5份烧结后的混合物和95份人造石墨混合，制得粉末状的硅碳负极材料。实施例二：一种高首效硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：S1备料：S1.1硅料制备：按重量份，将50份硅粉、50份氧化亚硅粉、10份柠檬酸和10份抗坏血酸混合，并进行砂磨至100nm、烘干，得到硅料；S1.2碳料制备：将200份水、20份95%酒精、5份蔗糖和5份沥青混合，以3500r/min的转速均匀搅拌1h，得到碳料；<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高首效硅碳负极材料的制备方法，包括步骤S1备料、S2混合、S3烧结，所述S1备料包括S1.1硅料制备和S1.2碳料制备，其特征在于：所述S1.1硅料制备的具体过程如下：将硅粉、氧化亚硅粉和还原剂混合，并进行砂磨、烘干，得到硅料，所述硅粉占硅粉和氧化亚硅粉总质量20-50wt%，所述还原剂为水溶性有机物且占硅粉和氧化亚硅粉总质量的10-20wt%。/n

【技术特征摘要】
1.一种高首效硅碳负极材料的制备方法，包括步骤S1备料、S2混合、S3烧结，所述S1备料包括S1.1硅料制备和S1.2碳料制备，其特征在于：所述S1.1硅料制备的具体过程如下：将硅粉、氧化亚硅粉和还原剂混合，并进行砂磨、烘干，得到硅料，所述硅粉占硅粉和氧化亚硅粉总质量20-50wt%，所述还原剂为水溶性有机物且占硅粉和氧化亚硅粉总质量的10-20wt%。


2.根据权利要求1所述的一种高首效硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述还原剂为柠檬酸和抗坏血酸中的一种或两种。


3.根据权利要求1所述的一种高首效硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述S1.1硅料制备中，砂磨至50-300nm。


4.根据权利要求1所述的一种高首效硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述S1.2碳料制备的具体过程如下：将水、酒精、碳源混合，以2500-3500r/min的转速均匀搅拌1-4h，得到碳料，碳源占水质量的5-20wt%，碳源占酒精质量的10-50wt%。

<...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宇星，吴清国，
申请(专利权)人：浙江金鹰新能源技术开发有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33