【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池负极材料，具体涉及一种高性能硅碳负极材料及其制备方法与应用。
技术介绍
1、锂离子电池作为便携式电子设备、电动汽车及电动工具的主要动力源，面临着因现有碳基负极材料容量较低而难以满足市场对更高容量需求的挑战。为了突破这一瓶颈，研究人员正积极探索新型碳材料以及高容量非碳材料，例如锡、硅和金属氧化物等，以期提升电池性能。
2、硅作为一种极具潜力的负极材料脱颖而出，其理论容量可高达约4200 mah/g，远超商用石墨负极的370 mah/g。不过，硅在完全锂化过程中会产生大约400%的体积膨胀，这不仅引发严重的结构破坏和电接触丧失问题，影响循环稳定性，而且硅本身的低电导率也阻碍了它的实际应用。
3、为克服上述难题，目前采用的方法是：通过纳米化硅材料来缩短锂离子扩散路径，从而减轻体积变化引起的应力；将硅与导电物质复合，如构建均匀分散的掺杂结构、碳涂层或核壳结构等，以增强电导率并适应硅的体积变化。特别是硅/碳复合材料，因其优异的导电性而成为解决这些问题的有效途径之一。对于硅碳材料的常见制备方法，如机械球磨法可能引入杂质，长时间球磨会破坏晶体结构，且材料均匀性较难精确把控；化学气相沉积法需要高温、复杂设备和特殊反应气体，成本高，反应复杂，产量低，不利于大规模生产；溶胶-凝胶法涉及多个复杂化学反应，反应条件要求严格，制备周期长，凝胶干燥时易收缩、开裂影响性能。目前，静电纺丝技术制备硅碳负极方面优势显著，主要表现在：一方面，操作简易，易于推广，能够精准制造一维硅/碳纳米纤维结构，融合硅高容量与碳良好
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种高性能硅碳负极材料的制备方法，用于解决现有技术中制备方法中仍然存在硅在完全锂化过程中体积膨胀且电导率低的问题。
2、本专利技术还提供了一种高性能硅碳负极材料，以解决现有技术中硅碳负极材料导电性能差的问题。
3、本专利技术还提供了一种负极极片，以解决现有技术中负极极片电化学特性差的问题。
4、为了解决上述问题，本专利技术提出了一种高性能硅碳负极材料的制备方法，所采用的技术方案是：
5、一种高性能硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：将纳米硅、聚合物和溶剂混合形成纺丝原液后，通过静电纺丝工艺，得到分散有纳米硅的聚合物纤维膜，并在保护气氛下经过高温炭化，得到硅碳负极材料。
6、本专利技术的有益效果是：
7、本专利技术通过将纳米硅与聚合物和溶剂经过通过静电纺丝工艺以及高温碳化，增强电导率并缓解硅的体积变化。本专利技术中，静电纺丝工艺在硅/碳纳米纤维结构设计中发挥极大的重要性，其主要作用是促进能量存储过程中的离子传导。该高性能硅碳负极材料的制备方法具备快速、简便、环保且低成本的优势，材料合成过程简洁，提高了生产效率。本申请通过优化锂离子的扩散路径，显著提升了锂离子电池的整体性能，其应用在锂离子电池中，能显著提升电池的容量并延长其循环使用寿命；且能在多种充放电环境下展现优异性能。此外，通过采用静电纺丝工艺制成的负极材料，使得其对应的锂离子电池还兼具卓越的安全性与可靠性，展现了广泛的应用前景。本专利技术的高性能硅碳负极材料的制备方法制备的硅碳负极材料作为锂离子电池的负极，同时有效解决了硅负极材料的体积膨胀问题，并实现了环保和成本效益的双重优化。
8、为了进一步增强电导率并缓解硅的体积变化，优选地，所述纳米硅与聚合物的质量比为（0.01~3）：1；所述纳米硅的粒径为10~800nm。
9、为了进一步减小体积膨胀，增加原料的分散性，优选地，所述聚合物为聚氧化乙烯、聚己内酯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚醚砜、聚氨酯、聚苯乙烯、聚酰胺中的一种或多种。
10、为了充分溶解聚合物，优选地，所述溶剂为去离子水、乙醇、 n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、氯仿、四氢呋喃、六氟异丙醇、二氯甲烷、丙酮、甲酸中的一种或多种。
11、为了提高锂离子电池的循环稳定性和容量保持率，优选地，所述高温炭化的温度为300~700℃，时间为1~6h。
12、为了进一步提高聚合物的溶解，优选地，所述聚合物和溶剂的质量比为（1:8）~（1:9）。
13、为了进一步促进能量存储过程中的离子传导，优选地，所述静电纺丝工艺中，所述纺丝原液从针头进入；其中，所述纺丝原液的推进速率为0.01~0.8ml/h，针头的内径为0.11~3.10mm，针头的外径为0.25~3.50mm，滚筒接收距离为10~20cm。
14、为了提高纺丝过程的稳定性和产品形貌的稳定性，优选地，所述静电纺丝工艺中，电压为12~28kv，温度为15~25℃，湿度为20~50%。
15、本专利技术还提出了一种高性能硅碳负极材料，所采用的技术方案是：
16、一种高性能硅碳负极材料，其由上述的高性能硅碳负极材料的制备方法制备得到。
17、本专利技术的有益效果是：本专利技术的高性能硅碳负极材料具有高的导电性，且降低硅在完全锂化过程中的体积膨胀。
18、本专利技术还提出了一种负极极片，所采用的技术方案是：
19、一种负极极片，所述负极极片包括上述的高性能硅碳负极材料的制备方法制备得到的高性能硅碳负极材料或上述的高性能硅碳负极材料。
20、本专利技术的有益效果是：该负极极片展现出卓越的电化学特性，能显著提升电池的容量并延长其循环使用寿命。
21、本专利技术还提出了一种锂离子电池，所采用的技术方案是：
22、一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述的负极极片。
23、本专利技术的有益效果是：该锂离子电池具备高容量与出色的稳定性，能在多种充放电环境下展现优异性能。此外，通过采用静电纺丝工艺制成的负极材料，使得该电池还兼具卓越的安全性与可靠性。
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1.一种高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将纳米硅、聚合物和溶剂混合形成纺丝原液后，通过静电纺丝工艺，得到分散有纳米硅的聚合物纤维膜，并在保护气氛下经过高温炭化，得到硅碳负极材料。
2.根据权利要求1所述的高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述纳米硅与聚合物的质量比为（0.01~3）：1；所述纳米硅的粒径为10~800nm。
3.根据权利要求1所述的高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物为聚氧化乙烯、聚己内酯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚醚砜、聚氨酯、聚苯乙烯、聚酰胺中的一种或多种。
4. 根据权利要求1所述的高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为去离子水、乙醇、 N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、氯仿、四氢呋喃、六氟异丙醇、二氯甲烷、丙酮、甲酸中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述高温炭化的温度为300~800℃，时间为1~6h。
6.根据权利要求1所述的高性能硅碳负极材料
7.根据权利要求1所述的高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝工艺中，所述纺丝原液从针头进入；其中，所述纺丝原液的推进速率为0.01~0.8mL/h，针头的内径为0.11~3.10mm，针头的外径为0.25~3.50mm，滚筒接收距离为10~20cm。
8.根据权利要求7所述的高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝工艺中，电压为12~28kV，温度为15~25℃，湿度为20~50%。
9.一种高性能硅碳负极材料，其特征在于，其由权利要求1～8中任一所述的高性能硅碳负极材料的制备方法制备得到。
10.一种负极极片，其特征在于，所述负极极片包括如权利要求1～8任一项所述的高性能硅碳负极材料的制备方法制备得到的高性能硅碳负极材料或权利要求9所述的高性能硅碳负极材料。
...【技术特征摘要】
1.一种高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将纳米硅、聚合物和溶剂混合形成纺丝原液后，通过静电纺丝工艺，得到分散有纳米硅的聚合物纤维膜，并在保护气氛下经过高温炭化，得到硅碳负极材料。
2.根据权利要求1所述的高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述纳米硅与聚合物的质量比为（0.01~3）：1；所述纳米硅的粒径为10~800nm。
3.根据权利要求1所述的高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述聚合物为聚氧化乙烯、聚己内酯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚醚砜、聚氨酯、聚苯乙烯、聚酰胺中的一种或多种。
4. 根据权利要求1所述的高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为去离子水、乙醇、 n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺、氯仿、四氢呋喃、六氟异丙醇、二氯甲烷、丙酮、甲酸中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的高性能硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述高温炭化的温度为300...
【专利技术属性】
技术研发人员：郑雅允，常中华，张孟良，金振兴，姚成，陈鹏，张振华，易文迪，江浩庆，
申请(专利权)人：河南省科学院激光制造研究所，
类型：发明
国别省市：
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