一种硅碳负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种硅碳负极材料及其制备方法，硅碳负极材料包括内核和碳包覆层，碳包覆层包覆于内核的表面，内核中分散有碳包覆纳米硅，碳包覆纳米硅包括由纳米硅颗粒通过粘结碳形成的二次颗粒。制备方法包括以下步骤：(1)纳米硅、有机粘结剂Ⅰ分散于有机溶剂中，形成浆料；(2)将浆料干燥，制备干燥粉料；(3)加入有机粘结剂Ⅱ，经包覆造粒制备得到包覆颗粒；(4)将包覆颗粒进行烧结碳化处理，得碳化颗粒；(5)对碳化颗粒表面包覆沥青，通过碳化处理，得硅碳负极材料。本发明专利技术可有效缓解硅碳应用过程中的膨胀问题，解决硅与石墨等碳材界面结合力，从而有效解决硅碳应用中存在的问题。而有效解决硅碳应用中存在的问题。而有效解决硅碳应用中存在的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料
，尤其涉及一种硅碳负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池发展至今，已被广泛应用于动力电池，数码3C和储能领域。商用锂离子电池以三元或磷酸铁锂作为正极材料，搭配传统的石墨负极材料，电芯单体能量密度可达140
‑
230Wh/kg。
[0003]新能源汽车、手机、平板等终端产品发展，对锂电池能量密度、续航有更高的需求，这将加快高容量负极材料的应用。更高的正极比容量、更高的负极比容量和更高的电池电压(以及更少的辅助组元)是高能量密度电池的理论实现路径。石墨作为传统负极材料，当前比容量达到350
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360mAh/g，已接近理论比容量372mAh/g，难以满足需求。硅作为新型负极材料，理论比容量远高于石墨(石墨10倍以上，达到4200mAh/g)，且对锂电压不高，有望成为高能量密度锂电池的下一代负极材料。
[0004]尽管硅相比石墨容量有很大优势，但其在应用过程中存在2个致命技术问题。嵌锂过程中明显本征体积变化，膨胀率达到300％(石墨膨胀率12％)，将直接导致电池循环存在安全隐患。硅与电解液反复接触与反应，面临劣化电池性能问题。通过材料改性和电池体系优化，提高首次效率和降低膨胀是硅基材料大规模商业化应用的关键。
[0005]专利CN107221673A公开了一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法。通过气相包覆在硅表面沉积碳、沥青内部包覆粘结、碳微球混合得到硅碳负极材料。该材料硅颗粒分布均匀、表面包覆完整、硅颗粒基本不与电解液接触，且碳微球可为膨胀提供很好的容纳空间。但该专利并未解决硅与混合碳之间的结合情况，仅采用物理混合方式，难以解决硅膨胀导致极片脱落应用问题。
[0006]专利CN109585802A公开了一种高压实密度的锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法。通过球磨、压制成型、酸洗等工艺将碳基体、硅颗粒进行复配，得到的硅碳负极材料具备1.6g/cm3以上的高压实密度，比表面不高于10m2/g，首次库伦效率高于85％。但同样并未解决硅与碳基体之间的结合问题，仅通过压制成型促使硅与碳基体复配，难以确保硅在膨胀过程中逐渐与碳分离，且该方法涉及氢氟酸酸洗，规模化应用存在环保压力。
[0007]因此，开发一种结构稳定且易工业化、可大规模商业用的硅碳负极材料是亟待解决的关键问题。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种硅碳负极材料及其制备方法，可有效缓解硅碳应用过程中的膨胀问题，解决硅与石墨等碳材界面结合力，从而有效解决硅碳应用中存在的问题。
[0009]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0010]一种硅碳负极材料，所述硅碳负极材料包括内核和碳包覆层，碳包覆层包覆于内核的表面，所述内核中分散有碳包覆纳米硅，所述碳包覆纳米硅包括由纳米硅颗粒通过粘结碳形成的二次颗粒。上述硅碳负极材料将硅与碳材之间的分散，可避免由于硅富集导致的局部体积膨胀过大导致的应用问题。
[0011]优选的，所述内核中还分散有导电碳质颗粒。碳包覆纳米硅结合该导电碳质颗粒，可使硅碳负极材料的性能更好。
[0012]优选的，所述内核中的碳包覆纳米硅颗粒和导电碳质颗粒通过粘结碳层形成一整体。
[0013]优选的，所述碳包覆纳米硅的粒径D50为0.5
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5um，所述纳米硅的粒径D50为20
‑
150nm；所述内核的粒径D50为5
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50um，所述碳包覆层的平均厚度为10
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100nm。
[0014]本专利技术中的硅碳负极材料，为一种类榴莲状的硅碳负极材料，其中碳包覆纳米硅为碳层包覆纳米硅团簇，其类比于榴莲肉，粘结碳层和导电碳质颗粒等碳材作为榴莲内部材料，将团簇硅固定；外表面裹覆一层碳包覆层作为榴莲外壳。本专利技术通过设置粘结碳、粘结碳层解决硅与碳材之间的界面结合问题，避免由于反复膨胀导致的界面阻抗问题。
[0015]作为一个总的专利技术构思，本专利技术提供了一种硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0016](1)将纳米硅、有机粘结剂Ⅰ分散于有机溶剂中，形成浆料；
[0017](2)将所述浆料进行干燥，制备干燥粉料；
[0018](3)将所述干燥粉料与导电碳质颗粒混合均匀，得混合料；向所述混合料中加入有机粘结剂Ⅱ，经造粒制备得到包覆颗粒。
[0019](4)将经步骤(3)得到的包覆颗粒进行烧结碳化处理，得到碳化颗粒；
[0020](5)对所述碳化颗粒进行表面碳包覆处理，得到所述硅碳负极材料。
[0021]本专利技术通过在纳米硅外表面包覆致密碳层，其一方面可提升硅表面的导电性，同时又可避免硅与电解液直接接触，确保循环过程中稳定的SEI膜的形成。进一步的，本专利技术通过结合粘结碳/粘结碳层的特性，降低硅与和石墨等导电碳质颗粒之间的界面结合力，将硅、粘结碳、粘结碳层、导电碳质颗粒紧密结合形成具备一定孔隙(孔隙介孔状)的致密结构；该致密结构在不牺牲活性物质的压实密度的情况下，为硅的膨胀提供缓冲空间，同时牢固的粘结碳层可避免随着循环过程的硅反复膨胀收缩单一包覆层裂解脱落，导致膨胀增大。同时在类榴莲结构(硅碳负极材料)外部通过控制炭化和包覆技术，实现致密碳层的有效包覆，该包覆可大幅度降低材料比表，降低SEI膜的反复形成，缓解电芯膨胀。
[0022]优选的，步骤(1)中，所述纳米硅的粒径D50为20
‑
150nm；所述的纳米硅包括多晶硅、单晶硅、无定型硅中的至少一种；所述有机粘结剂Ⅰ与纳米硅的质量比为1:(1
‑
50)；
[0023]所述有机粘结剂Ⅰ为羧甲基纤维素、聚乙烯吡咯烷酮、聚吡咯、聚乙烯、聚丙烯酸乙酯、聚丙烯酸PAA、酚醛树脂、环氧树脂、间苯二酚甲醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺树脂中的一种或几种；所述纳米硅与溶剂的质量比为1:(1
‑
100)。
[0024]进一步优选的，所述有机粘结剂Ⅰ为聚乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、酚醛树脂中的一种或几种；所述溶剂包括乙醇、N
‑
甲基吡咯烷酮中的至少一种。当采用该优选的机粘结剂Ⅰ与上述溶剂配合时，可使纳米硅在浆料中具有较高的分散性，不易团聚。
[0025]步骤(1)中所用的分散设备为高速分散盘、双行星搅拌机、超声分散机、液相混合
均质机中的一种或几种。
[0026]优选的，步骤(2)中，所述干燥的方式为喷雾干燥、真空干燥、旋蒸干燥、冷冻干燥中的一种或几种；进一步优选的，所述干燥的方式为喷雾干燥；当所述干燥的方式为真空干燥、旋蒸干燥、冷冻干燥中的一种或几种时，需要对干燥所得的物质进行解聚破碎，得到所述干燥粉料粉料。
[0027]干燥涉及的设备包括旋蒸干燥机、双锥真空干燥机、单锥真空干燥机、喷雾干燥机、冷冻干燥机中的一种或几种。
[0028]优选本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料包括内核和碳包覆层，碳包覆层包覆于内核的表面，所述内核中分散有碳包覆纳米硅，所述碳包覆纳米硅包括由纳米硅颗粒通过粘结碳形成的二次颗粒。2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述内核中还分散有导电碳质颗粒。3.根据权利要求2所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述内核中的碳包覆纳米硅颗粒和导电碳质颗粒通过粘结碳层形成一整体。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述碳包覆纳米硅的粒径D50为0.5
‑
5um，所述纳米硅的粒径D50为20
‑
150nm；所述内核的粒径D50为5
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50um，所述碳包覆层的平均厚度为10
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100nm。5.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将纳米硅、有机粘结剂Ⅰ分散于有机溶剂中，形成浆料；(2)将所述浆料进行干燥，制备干燥粉料；(3)将所述干燥粉料与导电碳质颗粒混合均匀，得混合料；向所述混合料中加入有机粘结剂Ⅱ，经造粒制备得到包覆颗粒。(4)将经步骤(3)得到的包覆颗粒进行烧结碳化处理，得到碳化颗粒；(5)对所述碳化颗粒进行表面碳包覆处理，得到所述硅碳负极材料。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述纳米硅的粒径D50为20
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150nm；所述有机粘结剂Ⅰ与纳米硅的质量比为1:(1
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50)；所述有机粘结剂Ⅰ为聚乙烯、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、酚醛树脂中的一种或几种；所述溶剂包括乙醇、N
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甲基吡咯烷酮中的至少一种。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述干...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤刚，彭青姣，罗磊，罗列科，杨乐之，涂飞跃，曹景超，刘云峰，封青阁，刘依卓子，覃事彪，
申请(专利权)人：长沙矿冶研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：