一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法技术

技术编号:18460103 阅读:27 留言:0更新日期:2018-07-18 13:14
本发明专利技术属于锂离子电池技术领域,涉及一种锂离子电池用硅碳负极材料,负极材料具有核壳结构,其核由纳米硅和热塑性树脂均相复合形成,其壳为气相沉积形成的碳包覆层;纳米硅的粒径为5~300nm;热塑性树脂的软化点<200℃,残碳率>40%;碳包覆层的厚度为0.1~10μm。本发明专利技术通过设计西瓜式核壳结构的锂离子电池用硅碳负极材料,使纳米硅均匀的分散在热塑性树脂中,能充分的发挥出纳米硅的高比容量特性,同时有效抑制充放电过程中纳米硅的体积膨胀效应,解决了纳米硅的分散问题,采用化学气相沉积法形成碳包覆层,提升材料的电子和锂离子的传输通道和速率,该负极具有高比容量、优异的循环性能和大倍率充放电性能与首次效率。

Silicon carbon negative electrode material for lithium ion battery and preparation method thereof

The invention belongs to the technical field of lithium ion battery. It relates to a silicon carbon negative electrode material for lithium ion battery and the anode material has a nuclear shell structure. The core is formed by the composite of nano silicon and thermoplastic resin. The shell is a carbon coating formed by vapor deposition; the particle size of the nano silicon is 5 to 300nm; the softening point of the thermoplastic resin is less than 200 The carbon residue rate is 40% and the carbon coating thickness is 0.1 to 10 m. By designing the silicon carbon negative material for the lithium ion battery of the watermelon nuclear shell structure, the nano silicon is dispersed uniformly in the thermoplastic resin, and the high specific capacity characteristics of the nanoscale can be fully displayed. At the same time, the volume expansion effect of nanoscale in the charge discharge process is suppressed effectively, and the dispersion of nanoscale is solved. Carbon coated layer is formed by chemical vapor deposition to improve the transmission channel and rate of electron and lithium ion. The negative electrode has high specific capacity, excellent cycling performance and high rate charge discharge performance and first efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池
,涉及一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池具有能量密度大、自放电小、无记忆效应、工作电压范围宽、使用寿命长、无环境污染等优点,是目前新能源汽车主要的动力电源。锂离子电池关键电极材料是电池性能的最终决定性因素,其中负极材料对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。而传统石墨负极比容量已经接近372mAh/g的理论值,很难再有提升的空间,所以开发高性能新型电极材料成为研究热点。硅具有超高的理论比容量(4200mAh/g)和较低的脱锂电位(<0.5V),且硅的电压平台略高于石墨,在充电时难引起表面析锂,安全性能更好,但硅在充放电时高达300%的体积变化,使其在充放电循环中承受很大的机械作用力并逐渐粉化坍塌,影响活性材料和集流体之间的连接,不利于电子传输;另一方面使得硅基材料与电解质之间形成的固体电解质界面膜膜逐渐增厚,不利于提高锂电池容量,造成锂电池的循环性能急剧下降。有鉴于此,本专利技术旨在提供一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法,本专利技术通过设计西瓜式核壳结构的锂离子电池用硅碳负极材料,使纳米硅均匀的分散在热塑性树脂中,能充分的发挥出纳米硅的高比容量特性,同时有效抑制充放电过程中纳米硅的体积膨胀效应,解决了纳米硅的分散问题,采用化学气相沉积法形成碳包覆层,提升材料的电子和锂离子的传输通道和速率,该负极具有高比容量、优异的循环性能和大倍率充放电性能(500次循环容量保持率在94%以上)与首次效率(>93%)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于:针对现有技术的不足,而提供一种锂离子电池用硅碳负极材料,本专利技术通过设计西瓜式核壳结构的锂离子电池用硅碳负极材料,使纳米硅均匀的分散在热塑性树脂中,能充分的发挥出纳米硅的高比容量特性,同时有效抑制充放电过程中纳米硅的体积膨胀效应,解决了纳米硅的分散问题,采用化学气相沉积法形成碳包覆层,提升材料的电子和锂离子的传输通道和速率,该负极具有高比容量、优异的循环性能和大倍率充放电性能(500次循环容量保持率在94%以上)与首次效率(>93%)。为了达到上述目的,本专利技术采用如下技术方案:一种锂离子电池用硅碳负极材料,所述负极材料具有核壳结构,其核由纳米硅和热塑性树脂均相复合形成,其壳为气相沉积形成的碳包覆层;所述纳米硅的粒径为5~300nm;所述热塑性树脂的软化点<200℃,残碳率>40%;所述碳包覆层的厚度为0.1~10μm。作为本专利技术锂离子电池用硅碳负极材料的一种改进,负极材料中,纳米硅的质量百分比为10%~70%,热塑性树脂的质量百分比为1%~80%的,碳包覆层的质量百分比为10%~60%。作为本专利技术锂离子电池用硅碳负极材料的一种改进,所述负极材料的中值粒径为1~30μm,比表面积为1~20m2/g,所述负极材料的粉体压实密度为0.1~2.8g/cm3。纳米硅的粒径必须是纳米级别的,不然电化学性能太差,热塑型树脂要求在较低的温度下就能软化,保证纳米硅能嵌入在软化后的树脂中,而且树脂的残碳要高,不然高温烧成后,挥发太多,无法形成实心的球。相对于现有技术,本专利技术通过设计西瓜式核壳结构的锂离子电池用硅碳负极材料,使纳米硅均匀的分散在热塑性树脂中,能充分的发挥出纳米硅的高比容量特性,同时有效抑制充放电过程中纳米硅的体积膨胀效应,解决了纳米硅的分散问题,采用化学气相沉积法形成碳包覆层,提升材料的电子和锂离子的传输通道和速率,该负极具有高比容量、优异的循环性能和大倍率充放电性能(500次循环容量保持率在94%以上)与首次效率(>93%)。本专利技术的另一个目的在于提供一种锂离子电池用硅碳负极材料的制备方法,至少包括如下步骤:第一步,将热塑性树脂和溶剂加入到高压蒸汽釜中,合上釜盖,拧紧螺栓,升温加压,使釜内溶液处于沸腾蒸汽状态;第二步,将分散好的纳米硅的浆料通过高压泵导入蒸汽釜中,反应完成后,蒸干溶剂,降温降压得到负极材料前躯体;第三步,将负极材料前驱体置于气相沉积炉中,通入保护性气体,再通入有机碳源气体进行气相沉积,得到核壳结构硅碳负极材料。作为本专利技术制备方法的一种改进,第一步所述热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜中的至少一种。作为本专利技术制备方法的一种改进,第一步所述有机溶剂为呋喃、酰胺、醇和酮中的至少一种。作为本专利技术制备方法的一种改进,第一步所述热塑性树脂和溶剂填入蒸汽釜的有效容积不超过50%;所述蒸汽釜内的压力为1~20MPa,温度为20~300℃。作为本专利技术制备方法的一种改进,第二步所述纳米硅的粒径为5~300nm;第二步所述反应时间是2~10h,反应温度为50~300℃。作为本专利技术制备方法的一种改进,第三步所述保护性气体为氮气、氦气、氖气、氩气中的至少一种;第三步所述有机碳源气体为甲烷、乙烷、乙炔、天然气、液化石油气中的任意一种。作为本专利技术制备方法的一种改进,第三步气相沉积过程升温速率为1.3~310℃/min,碳沉积温度为600~3900℃,有机碳源气体的流量为1~5L/min,气相沉积过程持续时间是1~8h。相对于现有技术,该方法制备工艺简单,成本低廉,适合产业化。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。具体实施方式实施例1如图1所示,本实施例提供了一种锂离子电池用硅碳负极材料,所述负极材料具有核壳结构,其核由纳米硅1和热塑性树脂2均相复合形成,其壳为气相沉积形成的碳包覆层3;纳米硅1的粒径为5~300nm;热塑性树脂2的软化点<200℃,残碳率>40%;碳包覆层3的厚度为0.1~10μm。其中,负极材料中,纳米硅的质量百分比为24.3%,热塑性树脂的质量百分比为44.3%的,碳包覆层的质量百分比为31.4%。所述负极材料的中值粒径为12.7μm,比表面积为6.8m2/g,所述负极材料的粉体压实密度为1.48g/cm3。其制备方法包括如下步骤:第一步,将聚碳酸酯和无水乙醇按溶液固含量为20%进行配料,加入到高压蒸汽釜中,溶液填入蒸汽釜的容器为40%,合上釜盖,拧紧螺栓,高压反应釜内的压力为10MPa,温度为温度为200℃,使釜内溶液处于沸腾蒸汽状态;第二步,将粒径为50nm硅浆料通过高压泵导入蒸汽釜中,其中纳米硅和聚碳酸酯残碳的质量比1:1,控制反应温度为300℃,反应时间是3h,反应完成后,蒸干溶剂,降温降压得到负极材料前躯体;第三步,将负极材料前驱体置于气相沉积炉中,通入氮气排除空气至氧含量低于200ppm,然后以5℃/min的升温速度,升温到700℃,再通入甲烷进行气相沉积2h,流量为3L/min,形成均匀的碳包覆层均匀,得到西瓜式核壳结构硅碳负极材料。实施例2如图1所示,本实施例提供了一种锂离子电池用硅碳负极材料,所述负极材料具有核壳结构,其核由纳米硅1和热塑性树脂2均相复合形成,其壳为气相沉积形成的碳包覆层3;纳米硅1的粒径为5~300nm;热塑性树脂2的软化点<200℃,残碳率>40%;碳包覆层3的厚度为0.1~10μm。其中,负极材料中,纳米硅的质量百分比为20.8%,热塑性树脂的质量百分比为36.4%的,碳包覆层的质量百分比为42.8%。所述负极材料的中值粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池用硅碳负极材料,其特征在于,所述负极材料具有核壳结构,其核由纳米硅和热塑性树脂均相复合形成,其壳为气相沉积形成的碳包覆层;所述纳米硅的粒径为5~300nm;所述热塑性树脂的软化点<200℃,残碳率>40%;所述碳包覆层的厚度为0.1~10μm。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池用硅碳负极材料,其特征在于,所述负极材料具有核壳结构,其核由纳米硅和热塑性树脂均相复合形成,其壳为气相沉积形成的碳包覆层;所述纳米硅的粒径为5~300nm;所述热塑性树脂的软化点<200℃,残碳率>40%;所述碳包覆层的厚度为0.1~10μm。2.根据权利要求1所述的锂离子电池用硅碳负极材料,其特征在于,负极材料中,纳米硅的质量百分比为10%~70%,热塑性树脂的质量百分比为1%~80%的,碳包覆层的质量百分比为10%~60%。3.根据权利要求1所述的锂离子电池用硅碳负极材料,其特征在于,所述负极材料的中值粒径为1~30μm,比表面积为1~20m2/g,所述负极材料的粉体压实密度为0.1~2.8g/cm3。4.一种权利要求1至3任一项所述的锂离子电池用硅碳负极材料的制备方法,其特征在于,至少包括如下步骤:第一步,将热塑性树脂和溶剂加入到高压蒸汽釜中,合上釜盖,拧紧螺栓,升温加压,使釜内溶液处于沸腾蒸汽状态;第二步,将分散好的纳米硅的浆料通过高压泵导入蒸汽釜中,反应完成后,蒸干溶剂,降温降压得到负极材料前躯体;第三步,将负极材料前驱体置于气相沉积炉中,通入保护性气体,再...

【专利技术属性】
技术研发人员:张少波秦军王海帆
申请(专利权)人:深圳市普锐能源科技有限公司
类型:发明
国别省市:广东,44

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