一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法与应用，属于锂离子电池技术领域。本发明专利技术公开了一种锂离子电池硅碳负极材料，所述硅碳负极材料的原料，按质量份数计，包括：75～80份的硅碳材料、10～20份的导电剂、7～10份粘结剂；其中硅碳材料由质量比为1:(0.8～3)的纳米硅、碳源经调浆、喷雾、烧结后制得，所述碳源为黄腐酸、腐殖酸、黄腐酸钾中的一种或多种。本发明专利技术还公开了一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法及一种锂离子电池。极材料的制备方法及一种锂离子电池。极材料的制备方法及一种锂离子电池。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，涉及一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]硅具有高容量、低脱锂电位和资源丰富等优点，因此受到广泛的关注。然而，硅脱/嵌过程中有较大的体积变化，易导致颗粒粉化，进而从集流体上脱落。同时，硅负极表面在充放电过程中存在SEI膜的不断破碎及生成，持续地消耗活性锂离子，导致库仑效率及电池循环寿命降低。为了解决这些问题，研究人员提出多种解决手段，将金属、氧化物、有机聚合物、碳等材料与硅复合，缓解其体积变化，提升电化学稳定性。其中，碳材料具有优异的导电性和力学性能，与硅复合不仅可有效缓解体积膨胀，还可以改善电极导电性并得到稳定的SEI膜，硅碳复合材料是最先进入商业化的硅基负极材料。
[0003]目前，商业化的硅基负极材料主要是将氧化亚硅和纳米硅使用球磨的方法分别与石墨复合，通过添加质量分数为5％～10％的硅材料，硅碳负极的可逆容量可达450mAh/g，该类材料在库仑效率、循环性能、倍率性能等方面能部分满足应用要求，并开始小批量进入消费电子和电动汽车等市场。但现有的制备方法和材料选择仍存在不足，如，制备材料包覆效果不好，碳材料选择单一，制备工艺复杂等。
[0004]目前，研究者解决上述问题的方案大多为通过改进粘结剂以提高负极材料的性能；或以微米硅为原料，相比于纳米硅，其表面的碳包覆层更容易被破坏，碳包覆结构难以保持完整，因此通常需要包裹2～5层碳层，制备过程复杂。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种包裹效果好、可抑制纳米硅颗粒的膨胀的锂离子电池硅碳负极材料。
[0006]本专利技术的目的可通过下列技术方案来实现：
[0007]一种锂离子电池硅碳负极材料，所述硅碳负极材料的原料，按质量份数计，包括：75～80份的硅碳材料、10～20份的导电剂、7～10份粘结剂；
[0008]其中硅碳材料由质量比为1:(0.8～3)的纳米硅、碳源经调浆、喷雾、烧结后制得，所述碳源为黄腐酸、腐殖酸、黄腐酸钾中的一种或多种。
[0009]本专利技术以黄腐酸，和/或腐殖酸，和/或黄腐酸钾为碳源，由于其具有良好的粘性，保证生成颗粒相互支撑，从而实现对纳米硅颗粒的完整包覆；本专利技术采用微纳球结构的形式实现对纳米硅颗粒的膨胀抑制，包覆完整的纳米级颗粒可抑制纳米硅的膨胀，烧结后的微米级二次颗粒可进一步抑制纳米硅的膨胀。单独的微米硅虽然具有更高的振实密度,且在相同质量负载下具有更高的体积比容量，但是微米硅存在电化学性能较差的问题，而本专利技术通过包裹使纳米硅变成微纳球，保留纳米硅性能优势的同时，获得微米硅的特性。
[0010]作为优选，所述碳源为黄腐酸、腐殖酸、黄腐酸钾的复配。
[0011]进一步优选，所述黄腐酸、腐殖酸、黄腐酸钾的质量比为(1～4)：(1～4)：1。
[0012]综合利用各材料的性能优势，黄腐酸钾在喷雾干燥过程中，K离子的作用致使喷雾成球率更高，但同时由于K离子的活化作用导致材料首效降低，因此使用多种材料复合有利于提高材料的整体性能。
[0013]作为优选，所述硅碳材料、粘结剂的质量比为(7～9)：1。
[0014]作为优选，所述硅碳材料的粒径为30～55μm。
[0015]作为优选，所述纳米硅粒径为100～150nm。
[0016]本专利技术制得的硅碳材料为微纳球结构，是通过纳米级颗粒的复合得到的微米级颗粒。
[0017]作为优选，所述粘结剂包括第一粘结剂和第二粘结剂，第一粘结剂丙烯腈多元共聚物的水分散液(LA
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132)，第二粘结剂为丁苯橡胶(SBR)、羟甲基纤维素钠(CMC)的混合液。
[0018]进一步优选，第一粘结剂、第二粘结剂的质量比为(1～3):1。
[0019]进一步优选，丁苯橡胶(SBR)、羟甲基纤维素钠(CMC)的质量比为(0.5～3):1。
[0020]作为优选，所述导电剂为导电炭黑、科琴黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种。
[0021]本专利技术还公开了一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，所述的制备方法包括：
[0022]S1、将纳米硅、碳源与去离子水混合、超声、磁力搅拌调浆后喷雾得前驱体；
[0023]S2、将前驱体在管式炉中烧结，冷却后过筛，得硅碳材料；
[0024]S3、将硅碳材料、导电剂、粘结剂与去离子水混合，调制成固含量为30～35％的电极浆料；
[0025]S4、将电极浆料涂敷于铜箔上，干燥后碾压成负极极片。
[0026]作为优选，步骤S1中去离子水的添加量、纳米硅、碳源的总质量的液固比50～100ml/g。
[0027]作为优选，步骤S1中超声、磁力搅拌均重复三次。
[0028]作为优选，步骤S1中喷雾过程，进风口温度120～140℃，出风口温度100～115℃，进样抽取速率10～20％。
[0029]作为优选，步骤S2中所述烧结的温度为800～950℃，时间为3～5h，升温速率为5～10℃/min。
[0030]进一步优选，所述烧结在惰性气氛中进行。
[0031]作为优选，步骤S3中调制过程包括先将硅碳材料与去离子水调制成固含量为45～50％的第一浆料，再将第一浆料与第一粘结剂浆料、第二粘结剂浆料混合，调制成固含量为35～40％的第二浆料；然后加入导电剂，调制成固含量为30～35％的电极浆料。
[0032]进一步优选，第一粘结剂与去离子水调制成固含量为1～6％的第一粘结剂浆料，
[0033]本专利技术采用分开调浆可控制浆料整体的均匀度，保证极片涂覆的均一性。
[0034]作为优选，调制过程在5mL烧杯中进行，磁力搅拌，转速为5～10rpm。
[0035]作为优选，负极极片的厚度为55～70μm，负载量为1～2.3mg/cm2。
[0036]进一步优选，所述碾压采用对辊机，其转速为50～200r/min。
[0037]本专利技术更公开了一种锂离子电池，所述锂离子电池中的负极为锂离子电池硅碳负极材料。
[0038]作为优选，所述锂离子电池中正极为金属锂片，隔膜为Celgard2500，电解液为1mol/L LiPF6；所述电解液中还包括体积比为1:1:1碳酸乙烯酯：碳酸甲基乙基酯：碳酸二甲酯。
[0039]作为优选，锂离子电池在手套箱中组装为2032扣式电池。
[0040]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0041]1、本专利技术的锂离子电池硅碳负极材料采用喷雾干燥法，在纳米级的纳米硅表面包裹具有良好的粘性的碳源，保证生成颗粒相互支撑，从而实现对纳米硅颗粒的完整包覆。
[0042]2、本专利技术采用微纳球结构的形式实现对纳米硅颗粒的膨胀抑制，包覆完整的纳米级颗粒可抑制纳米硅的膨胀，烧结后的微米级二次颗粒可进一步抑制纳米硅的膨胀。
[0043]3、本专利技术采用复合粘结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料的原料，按质量份数计，包括：75～80份的硅碳材料、10～20份的导电剂、7～10份粘结剂；其中硅碳材料由质量比为1:(0.8～3)的纳米硅、碳源经调浆、喷雾、烧结后制得，所述碳源为黄腐酸、腐殖酸、黄腐酸钾中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳材料、粘结剂的质量比为(7～9)：1。3.根据权利要求1所述的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳材料的粒径为30～55μm；所述纳米硅粒径为100～150nm。4.根据权利要求1所述的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述粘结剂包括第一粘结剂和第二粘结剂，第一粘结剂丙烯腈多元共聚物的水分散液，第二粘结剂为丁苯橡胶、羟甲基纤维素钠的混合液。5.一种如权利要求1所述的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：S1、将纳米硅、碳源与去离子水混合、超声、磁力搅拌调浆后喷雾得前驱体；S2、将前驱体在管式炉中烧结，冷却后过筛，得硅碳材...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮殿波，陆鸣，杨斌，
申请(专利权)人：陆鸣杨斌，
类型：发明
国别省市：