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CN109390571A - 一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法 Download PDF

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CN109390571A CN201811171848.5A CN201811171848A CN109390571A CN 109390571 A CN109390571 A CN 109390571A CN 201811171848 A CN201811171848 A CN 201811171848A CN 109390571 A CN109390571 A CN 109390571A
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Abstract

本发明公开一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法，涉及电池负极材料技术领域。所述锂离子电池硅碳负极材料及制备方法首先选择了纳米碳源、纳米硅、粘结剂分散于溶剂中混合，并放置于化学气相沉积反应室并添加放置催化剂，并添加造孔剂置于超声下振动得到得到混合浆料，并经研磨、干燥及酸溶液中刻蚀得到碳纳复合负极材料。本发明方法制备的硅碳复合负极材料导电性能和机械性能得到很大的提升，作为锂离子电池负极材料时，循环性能与倍率充放电性能、首次充放电效率都得到很大的提升；从材料微观结构设计等方法提高了其电化学性能。

Description

一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法
技术领域
本发明涉及电池负极材料技术领域，具体的涉及一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法。
背景技术
锂离子电池作为可以反复使用的二次电池,具有高工作电压、高能量密度、环境友好等优点,被广泛应用在运载工具的动力、电子、储能等领域,特别是能作为汽车动力电源改善城市雾霾及环境污染。负极作为锂离子电池主要组成之一，自电池商品化以来，负极材料研究主要包括：针对以下几种材料：碳基负极材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、合金化材料和其它材料。其中，碳基负极材料又分为石墨化碳材料和无定型碳材料。碳基负极材料凭借其资源丰富、无污染、导电性好等优点，成功实现产业化。但随着科技进步和需求增长，碳材料的容量已经不能满足电动汽车和储能技术需求。硅、锡及其氧化物作为锂离子电池负极材料，由于充放电过程中，锂嵌入和脱出会造成很大的体积变化，导致电极材料机械稳定性逐渐降低，从而逐渐粉化失效，因此循环性能并不理想。目前研究的合金化材料种类繁多，按基体材料大致可以分为：锡基合金、硅基合金、锑基合金和镁基合金。但合金化材料在充放电过程中同样存在着较大的体积效应，且嵌锂后合金质地较脆，机械稳定性差，致使材料易粉化、剥落。
硅具有比容量高、充放电平台低、资源丰富、安全性好等优点，成为最有潜力的锂离子电池负极材料之一，硅用于锂离子电池的研究历史已经超过30年；但硅本身存在体积膨胀问题和导电性差的问题决定了其使用寿命短、循环性能差的特点。目前常用制备硅基负极材料的方法主要有三类，一是将硅的尺寸纳米化，制备纳米颗粒，纳米线和纳米管等，减小绝对体积变化；二是将硅与碳、金属、非金属等缓冲基质复合，制备复合材料，增强导电性，抑制SEI膜形成；三是通过构筑多层次结构，缓解体积膨胀，改善硅材料寿命。其中陶瓷基质经常被应用于吸收硅体积膨胀产生应力，但是目前技术所采用的陶瓷往往不具备储锂电活性，从而牺牲负极材料容量。而且与碳基质之间往往存在相分离、结合性差等弱点，不能有效地起到共同吸收应力，稳定电极结构。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：
一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法，包括有以下步骤：
1)分别将纳米碳源、纳米硅、粘结剂分散于溶剂中混合，将其放置于化学气相沉积反应室并添加放置催化剂，并添加造孔剂置于超声下振动得到得到混合浆料；
2)将混合的浆料使用砂磨机研磨3-5h，研磨速度为1500-2000r/min，然后加入溶剂调节混合浆料的固体质量含量至20-40％，加热蒸干溶液得到研磨过的混合料；
3)将混合料使用喷雾干燥机高温干燥成粉；
4)将干燥成粉的粉体移至高压反应釜中，然后将反应釜放置在功率为的微波炉中，加热5-10min，冷却至室温；
5)将冷却的粉体在酸溶液中进行刻蚀，然后与含金属离子的盐溶液混合，沉积金属及其氧化物，得到所述锂离子电池硅碳纳复合负极材料。
进一步的，所述步骤1)纳米碳源和纳米硅的质量比为3:1，催化剂用量为纳米硅质量的1-2％，粘结剂用量为纳米硅质量的0.5-1％，造孔剂的用量为纳米硅质量的2-3％。
进一步的，所述步骤1)添加造孔剂置于超声下振动得到得到混合浆料，浆料在造孔剂作用下形成微孔结构。
进一步的，所述催化剂为硝酸镍、硫酸镍、硝酸铁、二茂铁或者纳米铁中的一种或者多种。
进一步的，所述纳米硅的粒径为50-200nm。
本发明的有益效果：本发明锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，首先选择了纳米碳源、纳米硅、粘结剂分散于溶剂中混合，并放置于化学气相沉积反应室并添加放置催化剂，并添加造孔剂置于超声下振动得到得到混合浆料，并经研磨、干燥及酸溶液中刻蚀得到碳纳复合负极材料；本发明方法制备的硅碳复合负极材料导电性能和机械性能得到很大的提升，作为锂离子电池负极材料时，循环性能与倍率充放电性能、首次充放电效率都得到很大的提升；从材料微观结构设计等方法提高了其电化学性能。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，包括有以下步骤：
分别将纳米碳源、纳米硅、粘结剂分散于溶剂中混合，将其放置于化学气相沉积反应室并添加放置催化剂，并添加造孔剂置于超声下振动得到得到混合浆料；
将混合的浆料使用砂磨机研磨3-5h，研磨速度为1500-2000r/min，然后加入溶剂调节混合浆料的固体质量含量至20-40％，加热蒸干溶液得到研磨过的混合料；
将混合料使用喷雾干燥机高温干燥成粉；
将干燥成粉的粉体移至高压反应釜中，然后将反应釜放置在功率为的微波炉中，加热5-10min，冷却至室温；
将冷却的粉体在酸溶液中进行刻蚀，然后与含金属离子的盐溶液混合，沉积金属及其氧化物，得到所述锂离子电池硅碳纳复合负极材料。
所述步骤1)纳米碳源和纳米硅的质量比为3:1，催化剂用量为纳米硅质量的1-2％，粘结剂用量为纳米硅质量的0.5-1％，造孔剂的用量为纳米硅质量的2-3％。
所述步骤1)添加造孔剂置于超声下振动得到得到混合浆料，浆料在造孔剂作用下形成微孔结构。
所述催化剂为硝酸镍、硫酸镍、硝酸铁、二茂铁或者纳米铁中的一种或者多种。
所述纳米硅的粒径为50-200nm。
下面用具体实施例以及对比例对本发明进行说明。
实施例
一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，包括：
分别将纳米碳源、纳米硅、粘结剂分散于溶剂中混合，(纳米碳源、纳米硅的粒径为50-200nm)将其放置于化学气相沉积反应室并添加放置催化剂(催化剂为硝酸镍、硫酸镍、硝酸铁、二茂铁或者纳米铁中的一种或者多种)，并添加造孔剂置于超声下振动得到得到混合浆料；
纳米碳源和纳米硅的质量比为3:1，催化剂用量为纳米硅质量的1-2％，粘结剂用量为纳米硅质量的0.5-1％，造孔剂的用量为纳米硅质量的2-3％；
添加造孔剂置于超声下振动得到得到混合浆料，浆料在造孔剂作用下形成微孔结构；
将混合的浆料使用砂磨机研磨3-5h，研磨速度为1500-2000r/min，然后加入溶剂调节混合浆料的固体质量含量至20-40％，加热蒸干溶液得到研磨过的混合料；
将混合料使用喷雾干燥机高温干燥成粉；
将干燥成粉的粉体移至高压反应釜中，然后将反应釜放置在功率为的微波炉中，加热5-10min，冷却至室温；
将冷却的粉体在酸溶液中进行刻蚀，然后与含金属离子的盐溶液混合，沉积金属及其氧化物，得到所述锂离子电池硅碳纳复合负极材料。
本发明锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，首先选择了纳米碳源、纳米硅、粘结剂分散于溶剂中混合，并放置于化学气相沉积反应室并添加放置催化剂，并添加造孔剂置于超声下振动得到得到混合浆料，并经研磨、干燥及酸溶液中刻蚀得到碳纳复合负极材料；本发明方法制备的硅碳复合负极材料导电性能和机械性能得到很大的提升，作为锂离子电池负极材料时，循环性能与倍率充放电性能、首次充放电效率都得到很大的提升；从材料微观结构设计等方法提高了其电化学性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (5)

1.一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法，其特征在于，包括有以下步骤：
1)分别将纳米碳源、纳米硅、粘结剂分散于溶剂中混合，将其放置于化学气相沉积反应室并添加放置催化剂，并添加造孔剂置于超声下振动得到得到混合浆料；
2)将混合的浆料使用砂磨机研磨3-5h，研磨速度为1500-2000r/min，然后加入溶剂调节混合浆料的固体质量含量至20-40％，加热蒸干溶液得到研磨过的混合料；
3)将混合料使用喷雾干燥机高温干燥成粉；
4)将干燥成粉的粉体移至高压反应釜中，然后将反应釜放置在功率为的微波炉中，加热5-10min，冷却至室温；
5)将冷却的粉体在酸溶液中进行刻蚀，然后与含金属离子的盐溶液混合，沉积金属及其氧化物，得到所述锂离子电池硅碳纳复合负极材料。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法，其特征在于：所述步骤1)纳米碳源和纳米硅的质量比为3:1，催化剂用量为纳米硅质量的1-2％，粘结剂用量为纳米硅质量的0.5-1％，造孔剂的用量为纳米硅质量的2-3％。
3.如权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法，其特征在于：所述步骤1)添加造孔剂置于超声下振动得到得到混合浆料，浆料在造孔剂作用下形成微孔结构。
4.如权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法，其特征在于：所述催化剂为硝酸镍、硫酸镍、硝酸铁、二茂铁或者纳米铁中的一种或者多种。
5.如权利要求1所述的一种锂离子电池硅碳负极材料及制备方法，其特征在于：所述纳米硅的粒径为50-200nm。
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