一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法技术

本发明专利技术适用于光电材料技术领域，提供了一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，包括如下步骤：按照硅粉：蒙脱土：分散剂为1.7~2.2:4.5~5.5:3~3.6的重量配比称取各项原料，分散剂为羟甲基纤维素；向去离子水中加入CMC，配制CMC分散液；向CMC分散液中分别加入硅粉和蒙脱土，搅拌均匀后得到均匀浆料；将浆料干燥，然后进行高温热解炭化，炭化后冷却至室温，高速研磨后得到层状硅碳材料。应用该方案，本发明专利技术的制备方法和原料成分都比较简单，成本低，制成的硅碳材料压实密度、克容量、首次库伦效率、倍率性都比较高，循环寿命长，制成电池后，电池的寿命长、电容量大、安全性高。

Preparation of a Layered Silicon Carbon Material for Battery Negative Electrode

【技术实现步骤摘要】
一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法
本专利技术适用于光电材料领域，主要涉及锂离子电池负极材料
，尤其涉及一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法。
技术介绍
环境污染和能源危机是全球面临的两大危机，为缓解这些问题，开发新型绿色二次能源（太阳能、风能等）是解决能源危机的有效途径。然而，这些绿色能源固有的随机性和间断性等缺点，为他们的实际应用造成了极大的困难。因此，可作为能源存储和转移的电池技术成为新能源产业的关键核心技术。其中锂离子电池是应用最广泛的一种电池。目前锂离子电池已广泛应用于各种电子设备以及电动汽车和航空领域。然而，锂离子续航里程低的问题严重限制了其发展。而锂离子电池的能量密度主要取决于正、负极材料。当前可用的负极材料中，硅负极由于其最高的理论容量、丰富的储备以及比较低的脱嵌锂电位，成为锂离子电池设计中最有前景的负极材料，但是，硅碳材料为金刚石结构，锂化时由于体积膨胀容易破坏其原来的结构，造成材料粉化，同时硅碳材料的导电率低，严重影响了锂离子电池的寿命、容量和安全性。公开号为CN109755546A的专利公开了一种锂离子动力电池用硅基硅碳材料的制备方法，包括以纳米硅、塑料和蒙脱土为原料，加入重金属盐作为催化剂，将原料混合后在熔融条件下进行挤压造粒，得到纳米硅/塑料/蒙脱土硅碳材料；将非离子表面活性剂和阳离子表面活性剂加入到盐酸溶液中，得到混合溶液，将纳米硅/塑料/蒙脱土硅碳材料加入到混合溶液中，进行溶胶凝胶反应，得到纳米硅/塑料/二氧化硅硅碳材料；将纳米硅/塑料/二氧化硅硅碳材料进行碳热还原，即得。该专利技术以塑料作为碳源，通过加入重金属盐以催化诱导塑料生成线形纤维管状结构，实现低温石墨化以及石墨化碳均匀包覆纳米硅颗粒，在一定程度上提高硅的导电率，抑制硅负极在充放电过程的体积膨胀。但是，该专利中由于加入重金属盐、非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、盐酸等物质，破坏了蒙脱土原有的层状结构，使制成的硅碳材料的压实密度相较于蒙脱土原有的层状结构的压实密度降低；同时，该专利中的纳米硅颗粒是嵌在塑料纤维管状结构中，该纤维管状结构自身的压实密度本来就很低或者难以进行压实；因此，该专利只是在一定程度上提高硅的导电率，并没有发挥硅负极最大的克容量，更因为压实密度低，不利于制备高比能电池。综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。
技术实现思路
针对上述的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，其制备方法和原料成分都比较简单，成本低，不改变蒙脱土原有的层状结构，使制成的硅碳材料压实密度、克容量、首次库伦效率、倍率性都比较高，循环寿命长，能够有效解决硅碳负极极片制备过程中的掉粉、掉料问题，制成电池后，电池的寿命长、电容量大、安全性高，且适合在高比能锂离子电池中应用。为了实现上述目的，本专利技术提供一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一称取原料按照硅粉：蒙脱土：分散剂为1.7~2.2:4.5~5.5:3~3.6的重量配比称取各项原料；所述分散剂为羟甲基纤维素（CMC）。步骤二配制分散液向去离子水中加入所述CMC，配制CMC分散液，所述CMC分散液中CMC的质量比浓度为3.6%～4.3%。步骤三配制浆料取步骤一中称取的蒙脱土及硅粉各50%混合，记为混料一；取步骤一中称取的蒙脱土及硅粉各30%混合，记为混料二；取步骤一中称取的蒙脱土及硅粉剩余的20%混合，记为混料三；向所述CMC分散液中加入混料一，搅拌20~40min后；再加入混料二，搅拌30~50min；再加入混料三，搅拌50~70min，得到均匀浆料。步骤四制备硅碳材料将所述均匀浆料在50~90oC条件下干燥16~30h，得到前驱体；将所述前驱体进行高温热解炭化，热解炭化的条件是：所述前驱体先在350～500oC的惰性气体中恒温1~3h，惰性气体升温至800~1100℃后，再继续恒温2~6h；所述前驱体炭化结束后冷却至室温，然后高速研磨，得到电池负极用层状硅碳材料。根据本专利技术的一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，所述蒙脱土进行改性处理，改性处理的方法为：将蒙脱土加入到溶胀状态的改性剂后分散均匀，然后依次进行烘干、烧结、冷却和研磨。根据本专利技术的一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，所述改性剂的制备方法为：将聚合物单体溶解在浓度为65%的乙醇溶液中，在去氧状态下，加入交联剂和引发剂，45℃条件下反应18h，即得到改性剂。根据本专利技术的一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，所述硅粉的粒度为0.8~1.2μm，所述蒙脱土的粒度为1.5~2μm。根据本专利技术的一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，所述CMC分散液中CMC的质量比浓度为4%。根据本专利技术的一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，所述步骤四中，热解炭化的条件是：所述前驱体先在400℃的惰性气体中恒温2h，所述惰性气体升温至900℃后，所述前驱体在900℃的惰性气体中再继续恒温4h。根据本专利技术的一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，所述惰性气体为氦气、氩气、氖气、氮气中的任意一种或几种。根据本专利技术的一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，所述层状硅碳材料的比表面积为4~20m2/g。根据本专利技术的一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，所述层状硅碳材料的粒径分布为0.06~50μm。本专利技术的目的在于提供一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，在分散剂羟甲基纤维素的作用下，利用蒙脱土对硅粉进行改性，制备硅碳材料；其中，羟甲基纤维素中的碳链在水中能伸展开，形成导电网络，使硅和碳嵌入到导电网络中，羟甲基纤维素中的氧能与硅结合，形成硅的氧化物（SiOX），提高硅碳材料的循环性；蒙脱土为层状结构，将硅粉和蒙脱土制成硅碳材料，既不改变蒙脱土原有的层状结构，又以蒙脱土对硅粉进行改性，使制得的硅碳材料为层状结构，层状结构的硅碳材料压实密度高，滑移面增加，为嵌锂过程中负极材料的膨胀提供了缓冲空间，进一步提高了材料的循环性，同时，硅碳材料的粒径和比表面积都能够满足市场所需电池负极材料的要求，以本专利技术的硅碳材料匹配三元正极材料制得的纽扣电池，硅碳材料的首次库伦效率为75~85%，3C放电量大于900mAh/g，纽扣电池在50次循环后，硅碳材料克容量仍大于1000mAh/g。综上所述，本专利技术的有益效果是：制备方法和原料成分都比较简单，成本低；不改变蒙脱土原有的层状结构，使制成的硅碳材料压实密度、克容量、首次库伦效率、倍率性都比较高，循环寿命长，能够有效解决硅碳负极极片制备过程中的掉粉、掉料问题，制成电池后，电池的寿命长、电容量大、安全性高，且适合在高比能锂离子电池中应用。附图说明图1是本专利技术硅碳材料的X射线衍射谱图。图2是本专利技术硅碳材料的粒径分布图。图3是本专利技术硅碳材料的比表面积测试图。图4是本专利技术硅碳材料的内部孔径分析图。图5是实施例1中硅碳材料的循环性能和首次库伦效率分析图。图6是实施例1中硅碳材料的倍率性分析图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供了一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一称取原料按照如下重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一 称取原料按照硅粉：蒙脱土：分散剂为1.7~2.2:4.5~5.5:3~3.6的重量配比称取各项原料；所述分散剂为羟甲基纤维素（CMC）；步骤二 配制分散液向去离子水中加入所述CMC，配制CMC分散液，所述CMC分散液中CMC的质量比浓度为3.6%～4.3%；步骤三 配制浆料取步骤一中称取的蒙脱土及硅粉各50%混合，记为混料一；取步骤一中称取的蒙脱土及硅粉各30%混合，记为混料二；取步骤一中称取的蒙脱土及硅粉剩余的20%混合，记为混料三；向所述CMC分散液中加入混料一，搅拌20~40min后；再加入混料二，搅拌30~50min；再加入混料三，搅拌50~70min，得到均匀浆料；步骤四 制备硅碳材料将所述均匀浆料在50~90

【技术特征摘要】
1.一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一称取原料按照硅粉：蒙脱土：分散剂为1.7~2.2:4.5~5.5:3~3.6的重量配比称取各项原料；所述分散剂为羟甲基纤维素（CMC）；步骤二配制分散液向去离子水中加入所述CMC，配制CMC分散液，所述CMC分散液中CMC的质量比浓度为3.6%～4.3%；步骤三配制浆料取步骤一中称取的蒙脱土及硅粉各50%混合，记为混料一；取步骤一中称取的蒙脱土及硅粉各30%混合，记为混料二；取步骤一中称取的蒙脱土及硅粉剩余的20%混合，记为混料三；向所述CMC分散液中加入混料一，搅拌20~40min后；再加入混料二，搅拌30~50min；再加入混料三，搅拌50~70min，得到均匀浆料；步骤四制备硅碳材料将所述均匀浆料在50~90oC条件下干燥16~30h，得到前驱体；将所述前驱体进行高温热解炭化，热解炭化的条件是：所述前驱体先在350～500oC的惰性气体中恒温1~3h，惰性气体升温至800~1100℃后，再继续恒温2~6h；所述前驱体炭化结束后冷却至室温，然后高速研磨，得到电池负极用层状硅碳材料。2.根据权利要求1所述的一种电池负极用层状硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：将步骤一中的所述蒙脱土进行改性处理，改性处理的方法为：将所述蒙脱土加入到溶胀状态的改性剂后分散均...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯丽娟，李美荣，冯丽美，李国福，闫友军，
申请(专利权)人：潍坊科技学院，
类型：发明
国别省市：山东,37