一种负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种负极材料及其制备方法和应用。所述负极材料包括硅基材料内核以及位于硅基材料内核表面的碳包覆层；碳包覆层为多孔碳包覆层。所述制备方法包括以下步骤：(1)将硅基材料与桃胶进行干法混合，得到混合物；(2)将混合物与造孔剂混合，然后在保护性气体与氢气气体的混合气氛下进行烧结，得到所述负极材料。本发明专利技术通过将桃胶与硅基材料进行混合、造孔和碳化，在硅基材料表面形成了多孔碳层，缓解了硅基材料的体积膨胀，提升了其导电性，同时碳层中的多孔结构还为锂离子的传输提供了通道，进而提升了电池在低温与常温下的循环性能，此外桃胶属于生物质，含有多种元素，如P,S等元素均可以提高循环性能。等元素均可以提高循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，涉及一种负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着便携式电子通讯设备以及新能源交通工具的兴起，高性能高容量锂离子电池的研发任务迫在眉睫。和传统的石墨负极材料相比，硅基负极材料有极高的理论比容量(4200mAh/g)，占有很大的市场优势。
[0003]但是硅基负极材料本身具有的体积膨胀效应，导电性差等一系列缺点，限制了其实际应用。同时，硅基材料本身较差的本征电导率限制了锂离子扩散速度，影响了电池的充放电速率。
[0004]CN106025243A一种锂离子电池硅负极复合材料，具有双壳层结构，核层为具有空腔结构的复合纳米硅材料，内壳层为碳材料包覆层，外壳层为导电聚合物薄膜。本专利技术还公开了一种锂离子电池硅负极复合材料的制备方法，首先将纳米硅与纳米Fe3O4微球混合进行碳包覆，然后外面再包覆一层导电聚合物薄膜，形成双壳层结构，以纳米Fe3O4微球为牺牲模板，通过酸蚀剂牺牲Fe3O4微球，使核层形成具有空腔结构的复合纳米硅材料，有效的缓冲纳米硅材料的体积膨胀。该方案虽然提高了材料的导电性，但是处理过程繁琐，经历了超声分散离心，过滤洗涤以及酸蚀处理等较多步骤，所需成本较高。
[0005]CN106229495A公开了一种导电聚合物包覆的硅基负极材料，其做法是将海藻酸钠溶液，纳米硅以及导电聚合物单体的混合液，在引发剂下进行聚合反应，得到导电聚合物包覆的硅基负极材料。所述导电聚合物为聚噻吩、聚苯胺或聚吡咯。但上述文献的方法只有单纯的导电聚合物包覆，并没有预先的碳包覆层，而且聚合物包覆过程中没有掺入相应的导电添加剂，虽然导电聚合物具有一定的传输电子的能力，但是相对于传统的碳包覆材料来讲，导电聚合物的电子传输能力有限，不能满足锂离子电池高倍率充放电的需求，此外，虽然导电聚合物的包覆对锂电池充放电过程中负极的膨胀问题有一定的缓解，使其充放电过程中的稳定性和安全性得到了提高，但是该专利中提及的导电聚合物的传输锂离子的能力也有限，不能实现锂离子在此类聚合物中的快速传输，从而影响电池的容量发挥和倍率性能。
[0006]因此，如何提高硅基负极材料的导电性，提升其循环性能，是急需解决的技术问题。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种负极材料及其制备方法和应用。本专利技术通过将桃胶与硅基材料进行混合、造孔和碳化，在硅基材料表面形成了多孔碳层，缓解了硅基材料的体积膨胀，提升了其导电性，同时碳层中的多孔结构还为锂离子的传输提供了通道，进而提升了电池在低温与常温下的循环性能，此外桃胶属于生物质，含有多种元素，如P,S等元素均可以提高循环性能。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种负极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0010](1)将硅基材料与桃胶进行干法混合，得到混合物；
[0011](2)将步骤(1)所述混合物与造孔剂混合，然后在保护性气体与氢气气体的混合气氛下进行烧结，得到所述负极材料。
[0012]本专利技术通过将桃胶与硅基材料进行混合、造孔和碳化，在硅基材料表面形成了多孔碳层，缓解了硅基材料的体积膨胀，提升了其导电性，同时碳层中的多孔结构还为锂离子的传输提供了通道，进而提升了电池在低温与常温下的循环性能，此外桃胶属于生物质，含有多种元素，如P,S等元素均可以提高循环性能。
[0013]本专利技术通过干法混合的方法，更易使硅基材料与桃胶结合，更易生成C
‑
O
‑
Si键，从而提高了桃胶的利用率。
[0014]本专利技术中，如果不加入造孔剂直接烧结碳化，则不能得到多孔结构的碳层，进而会导致快充性能降低。
[0015]本专利技术中，在保护性气体与氢气气体的混合气氛下，一方面起到了保护负极材料的作用，而另一方面，氢气的还原性还可以减少碳材料表面氧元素含量，提高材料导电性。
[0016]优选地，步骤(1)所述干法混合的时间为6～18h，例如6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h或18h等。
[0017]本专利技术中，干法混合的时间过短，会导致碳材料与硅基材料反应不充分，而干法混合的时间过长，又不利于硅基材料保持颗粒的完整性。
[0018]优选地，步骤(1)所述干法混合的方式包括球磨。
[0019]优选地，步骤(1)中，所述硅基材料与桃胶的质量占比为1:(3.75～15)，例如1:3.75、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8、1:9、1:10、1:11、1:12、1:13、1:14或1:15等，优选为1:(5～15)。
[0020]优选地，所述硅基材料包括二氧化硅、氧化亚硅或纳米硅中的任意一种或至少两种的组合。
[0021]优选地，步骤(2)所述造孔剂包括偏磷酸溶液。
[0022]本专利技术中，选用偏磷酸更容易形成多孔结构，有利于电解液的浸润和锂离子的传输。
[0023]优选地，所述偏磷酸溶液的浓度为0.05～0.8g/mL，例如0.05g/mL、0.1g/mL、0.2g/mL、0.3g/mL、0.4g/mL、0.5g/mL、0.6g/mL、0.7g/mL或0.8g/mL等。
[0024]优选地，所述偏磷酸溶液与步骤(1)所述混合物的质量比为(2.5～10):1，例如2.5:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1或10:1等。
[0025]本专利技术中，偏磷酸溶液与步骤(1)所述混合物的质量占比过大，会导致碳材料表面孔径较大，暴露过多的硅基材料，质量占比过小，又不利于碳材料表面造孔的形成。
[0026]优选地，步骤(2)所述混合的处理方法包括搅拌。
[0027]优选地，所述搅拌的温度为10～60℃，例如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃或60℃等。
[0028]本专利技术中，搅拌的温度过低，会使得产生的多孔结构较少，而如果温度过高，又不利于多孔结构孔径的调控。
[0029]优选地，所述搅拌的时间为30min～5h，例如30min、1h、2h、3h、4h或5h等。
[0030]优选地，所述混合气氛中，保护性气体与氢气气体的体积比为98:2～100:0.25，例如98:2、50:1、100:1、150:1、200:1、300:1或100:0.25等。
[0031]优选地，所述保护性气体包括氮气、氩气或氦气中的任意一种或至少两种的组合。
[0032]优选地，步骤(1)所述烧结的温度为300～800℃，例如300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃或800℃等。
[0033]优选地，步骤(2)所述烧结的升温速率为2～10℃/min，例如2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将硅基材料与桃胶进行干法混合，得到混合物；(2)将步骤(1)所述混合物与造孔剂混合，然后在保护性气体与氢气气体的混合气氛下进行烧结，得到所述负极材料。2.根据权利要求1所述的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述干法混合的时间为6～18h；优选地，步骤(1)所述干法混合的方式包括球磨。3.根据权利要求1或2所述的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述硅基材料与桃胶的质量占比为1:(3.75～15)，优选为1:(5～15)；优选地，所述硅基材料包括二氧化硅、氧化亚硅或纳米硅中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述造孔剂包括偏磷酸溶液；优选地，所述偏磷酸溶液的浓度为0.05～0.8g/mL；优选地，所述偏磷酸溶液与步骤(1)所述混合物的质量比为(2.5～10):1。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述混合的处理方法包括搅拌；优选地，所述搅拌的温度为10～60℃；优选地，所述搅拌的时间为30min～5h。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的负极材料的制备方法，其特征在于，所述混合气氛中，保护性气体与氢气气体的体积比为98:2～100:0.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建龙，叶文锦，艾思伟，李跃飞，徐悦斌，何巍，
申请(专利权)人：宁波亿纬创能锂电池有限公司，
类型：发明
国别省市：