一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷及制备方法。将钛、四氟化钛、硅、四氟化硅与碳黑粉末混合均匀，放入石墨坩埚，置于焙烧炉中，在空气氛围下进行预热，接着迅速升温使得混合粉末发生燃烧，结束后自然冷却，制得氟掺杂Ti3SiC2的混合材料，即为用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷。该方法通过氟化处理，氟原子的引入可以促进嵌入的锂离子与硅原子的复合，同时氟原子与锂离子可以在层间形成一层较薄的氟化锂层，有效抑制了锂离子向负极材料表面迁移，从而可抑制负极材料的容量衰减。

Modified Ti-Si-C Ceramics for Lithium Battery Anode Material and Its Preparation Method

The present invention provides a modified titanium silicon carbon ceramic for lithium battery anode material and a preparation method thereof. Titanium, titanium tetrafluoride, silicon, silicon tetrafluoride and carbon black powders were mixed evenly, placed in graphite crucible, preheated in air, then heated rapidly to make the mixed powders burn, and cooled naturally after that, a fluorine-doped Ti3SiC2 composite material was prepared, which is a modified Ti3SiC2 ceramics for lithium battery anode materials. By fluorination treatment, the introduction of fluorine atoms can promote the composite of embedded lithium ions and silicon atoms. At the same time, fluorine atoms and lithium ions can form a thin layer of lithium fluoride between the layers, which effectively inhibits the migration of lithium ions to the surface of negative materials, thus inhibiting the capacity decay of negative materials.

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷及制备方法
本专利技术涉及锂电池领域，具体涉及锂电池负极材料的制备，特别是涉及一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷及制备方法。
技术介绍
自1990年日本索尼公司率先推出第一款可充电型锂离子电池以来，经过近30年的发展，目前的锂离子电池已经广泛应用于电动汽车、电动自行车、备用电源、移动通讯装备等要求大容量或大倍率充放电的动力装置。锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜构成，负极材料是锂离子电池的重要组成部分，负极材料的组成和结构对锂离子电池的电化学性能具有决定性的影响。传统锂离子电池所使用的负极大多为碳基材料，主要为石墨，其优势在于价格低廉，原料广泛，加工性能好，对于各种锂离子电池具有普遍的适用性。但其缺点也较为突出，锂离子在石墨中的脱嵌较为困难，石墨本身的容量和电导率并不算特别高。Ti3SiC2具有与石墨类似的结构，钛原子与碳原子形成八面体结构，与硅原子层共同形成六方结构，这种材料同时具有金属与陶瓷的优点，具有高导电性、高导热性和较好的加工性能，在用于锂离子电池负极上具有更加优异的性能。中国专利技术专利申请号200910198406.4公开了一种Ti3SiC2基粉体的制备方法。本专利技术采用将钛粉和聚碳硅烷按照重量比0.71~2.48:1混合并溶于有机溶剂，搅拌烘干使其均匀混合，对烘干的粉料低温裂解，温度为800~1200℃，保温时间0.5~2h，升温速度2~7℃/min，获得初步反应物；对初步反应物高温处理，温度为1400~1600℃，保温时间0.5~2小时，升温速度2~7℃/min。中国专利技术专利申请号201710840123.1/3公开了一种锂离子电池负极材料的制备方法，将Ti3SiC2在无氧条件下进行球磨，得到锂离子电池负极材料。该专利技术通过球磨使Ti3SiC2分解为SiC和钛碳化合物，所得SiC和钛碳化合物之间易于形成异质结，从而使SiC和钛碳化合物能够发挥协同作用。采用该专利技术所提供的制备方法得到的锂离子电池负极材料具有优异的循环性能，且该制备方法工艺简单，原料价廉易得，无污染，生产成本低，适合批量生产。中国专利技术专利申请号200910235699.9公开了一种用于锂离子电池的负极材料，其为由有机化合物和金属或类金属材料形成的配合物。该专利技术还提供该负极材料的制备方法，包括：在常压和0~25℃温度范围内，将金属材料或类金属材料与有机化合物均匀混合后，加入氧化剂，即得到所需的有机化合物和金属或类金属材料的配合物。中国专利技术专利申请号201410168843.2公开了改性锂离子电池石墨负极材料及其制备方法，该石墨负极材料的表面包覆有Ti2SiC2导电网络。称取钛源、硅源和石墨，在惰性气体保护下，添加分散剂并进行球墨或超声混合处理，干燥；将干燥料在氢气和惰性气体混合气氛保护下烧结处理。根据上述，现有方案中用于锂电池的钛硅碳陶瓷负极材料，与传统负极相同，由于锂离子是嵌入层间通过物理限域作用固定，容易导致锂离子向负极材料表面迁移加厚SEI膜甚至形成锂枝晶，从而造成容量衰减，因此对于钛硅碳负极材料的改性以控制其容量衰减具有十分重要的实际意义。
技术实现思路
针对目前应用较广的锂电池钛硅碳材料，存在负极容量易衰减的缺陷，本专利技术提出一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷及制备方法，从而有效抑制了负极材料容量衰减的问题。本专利技术涉及的具体技术方案如下：一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷的制备方法，包括以下步骤：（1）将钛、四氟化钛、硅、四氟化硅与碳黑粉末按照一定比例混合均匀，得到混合粉末；（2）将步骤（1）得到的混合粉末放入石墨坩埚，置于焙烧炉中，在空气氛围下进行预热，接着迅速升温使得混合粉末发生燃烧，结束后自然冷却，制得氟掺杂Ti3SiC2的混合材料，即为用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷。本专利技术使用钛、硅及其氟化物作为原料，高温下进行氟化处理，氟原子的引入可以促进嵌入的锂离子与硅原子的复合，同时氟原子与锂离子可以在层间形成一层较薄的氟化锂层，可促进SEI膜的形成和锂离子的逸出，进而抑制负极材料容量的衰减。优选的，步骤（1）所述混合粉末中，钛、四氟化钛、硅、四氟化硅、碳黑粉末的按照摩尔比例2.94:0.06:0.99:0.01:2-3。优选的，步骤（2）所述预热的温度为600~700℃，时间为15~20min。优选的，步骤（2）所述迅速升温的升温速度为200~500℃/min。优选的，步骤（2）所述升温燃烧的温度为1830~1900℃，时间为1~2h。优选的，步骤（2）所述混合材料中，氟离子掺杂位置为嵌入式掺杂，夹在钛碳层与硅层之间。本专利技术还提供一种上述制备方法制备得到的用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷。使用钛、四氟化钛、硅、四氟化硅及碳黑粉末作为原料，按照一定比例进行混合，在石墨坩埚中进行预加热，之后迅速升温，使混合粉末发生燃烧，接着自然冷却得到产品。本专利技术提供了一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1、提出高温氟化处理下制备用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷的方法。2、本专利技术通过氟化处理，氟原子的引入可以促进嵌入的锂离子与硅原子的复合，同时氟原子与锂离子可以在层间形成一层较薄的氟化锂层，有效抑制了锂离子向负极材料表面迁移，从而可抑制负极材料的容量衰减。具体实施方式以下通过具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，但不应将此理解为本专利技术的范围仅限于以下的实例。在不脱离本专利技术上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本专利技术的范围内。实施例1制备过程为：（1）将钛、四氟化钛、硅、四氟化硅与碳黑粉末按照一定比例混合均匀，得到混合粉末；混合粉末中，钛、四氟化钛、硅、四氟化硅、碳黑粉末的按照摩尔比例2.94:0.06:0.99:0.01:2.5；（2）将步骤（1）得到的混合粉末放入石墨坩埚，置于焙烧炉中，在空气氛围下进行预热，接着迅速升温使得混合粉末发生燃烧，结束后自然冷却，制得氟掺杂Ti3SiC2的混合材料；即为用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷；预热的温度为620℃，时间为18min；迅速升温的升温速度为250℃/min；升温燃烧的温度为1850℃，时间为2h；混合材料中，氟离子掺杂位置为嵌入式掺杂，夹在钛碳层与硅层之间。实施例2制备过程为：（1）将钛、四氟化钛、硅、四氟化硅与碳黑粉末按照一定比例混合均匀，得到混合粉末；混合粉末中，钛、四氟化钛、硅、四氟化硅、碳黑粉末的按照摩尔比例2.94:0.06:0.99:0.01:3；（2）将步骤（1）得到的混合粉末放入石墨坩埚，置于焙烧炉中，在空气氛围下进行预热，接着迅速升温使得混合粉末发生燃烧，结束后自然冷却，制得氟掺杂Ti3SiC2的混合材料；即为用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷；预热的温度为680℃，时间为16min；迅速升温的升温速度为400℃/min；升温燃烧的温度为1880℃，时间为1h；混合材料中，氟离子掺杂位置为嵌入式掺杂，夹在钛碳层与硅层之间。实施例3制备过程为：（1）将钛、四氟化钛、硅、四氟化硅与碳黑粉末按照一定比例混合均匀，得到混合粉末；混合粉末中，钛、四氟化钛、硅、四氟化硅、碳黑粉末的按照摩尔比例2.94:0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将钛、四氟化钛、硅、四氟化硅与碳黑粉末按照一定比例混合均匀，得到混合粉末；（2）将步骤（1）得到的混合粉末放入石墨坩埚，置于焙烧炉中，在空气氛围下进行预热，接着迅速升温使得混合粉末发生燃烧，结束后自然冷却，制得氟掺杂Ti3SiC2的混合材料，即为用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）将钛、四氟化钛、硅、四氟化硅与碳黑粉末按照一定比例混合均匀，得到混合粉末；（2）将步骤（1）得到的混合粉末放入石墨坩埚，置于焙烧炉中，在空气氛围下进行预热，接着迅速升温使得混合粉末发生燃烧，结束后自然冷却，制得氟掺杂Ti3SiC2的混合材料，即为用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷。2.根据权利要求1所述一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，钛、四氟化钛、硅、四氟化硅、碳黑粉末的按照摩尔比例2.94:0.06:0.99:0...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，廖健淞，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51