一种锂离子电池硅碳复合负极材料低成本制备方法技术

本发明专利技术公开一种锂离子电池硅碳复合负极材料低成本制备方法，包括以下步骤：（1）石墨原料纯化；（2）镁热还原；（3）除杂；（4）表面包覆；（5）碳化；藉此，通过镁热反应还原纯化后原料石墨中二氧化硅后，获得多孔硅与石墨的复合物，再进行表面包覆，获得用于锂离子电池的硅碳复合负极材料。本发明专利技术方法制备获得的复合材料中，硅均匀分布在石墨基体中，有利于提高硅的导电率，该材料作为锂离子电池负极材料时，内层的石墨和外层包覆的碳对硅材料起连接和支撑作用，有助于缓解体积带来的膨胀应力，因此具有可逆容量高，循环性能好，倍率性能优异的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂电池电极材料制备领域技术，尤其是指一种锂离子电池硅碳复合负极材料低成本制备方法。  
技术介绍
目前，商业化的锂离子电池的负极材料主要使用石墨材料，但是石墨材料的理论容量低（372 mAh/g），无法满足高比容量锂离子的需求。硅因具有非常高的理论比容量(约4200 mAh/g)而受到越来越多的关注，它被认为是最有可能替代石墨负极的材料之一,然而硅基负极却迟迟未投入到商业化使用中。这是因为硅在嵌/脱锂过程中会产生约300 %的体积膨胀/收缩,巨大的体积变化会造成硅电极的粉化剥落,使娃颗粒之间以及硅与集流体之间失去电接触,电极的比容量急剧下降甚至完全失效。针对硅材料的严重体积效应，研究者们广泛采用对其进行改性以提高循环性能，其中一个有效的方法就是制备硅碳复合材料，利用复合材料各组分间的协同效应，一方面抑制硅颗粒的粉化，另一方面避免充放电过程中可能发生的硅颗粒团聚现象。专利 CN1909266A公开了一种具有纳米多孔结构的硅铜碳复合材料，由高能球磨法制备。该材料表现出良好的充放电循环稳定性，但是高能球磨法耗能高，费时，不利于大规模工业化生产。专利CN 102694155A 公开了一种硅碳复合材料及其制备方法及使用该材料制备的锂离子电池。该硅碳复合材料的制备方法包括以下步骤：（1）将一氧化硅制得的二氧化硅包覆纳米硅的复合材料、多孔性碳基体材料、过量的氢氟酸溶液混合，得到多孔性碳基体材料孔隙间复合有纳米硅粒子的复合材料；（2）用高分子聚合物包覆多孔性碳基体材料孔隙间复合有纳米硅粒子的复合材料，在惰性气氛下，加热得到多孔碳球包覆的硅碳复合材料。该硅碳复合材料虽在一定程度上缓解活性颗粒在充放电过程中的粉化脱落现象，体积膨胀效应有所改善，但是该材料循环性能仍欠佳，且首次充放电效率只有 70% 左右，无法满足商品化要求。因此，开发一种循环性能与倍率充放电性能好、首次充放电效率高、制备成本低廉的锂离子电池负极材料制备方法是所属领域的技术难题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种锂离子电池硅碳复合负极材料低成本制备方法，其能有效解决现有之负极材料制备耗能费时或者循环性能不佳的问题。为实现上述目的，本专利技术采用如下之技术方案：一种锂离子电池硅碳复合负极材料低成本制备方法，包括以下步骤：（1）石墨原料纯化将石墨浸渍于浓度为0.2～6M的盐酸溶液中浸泡一段时间后进行过滤和烘干，获得纯化石墨；（2）镁热还原将纯化石墨与镁粉按质量比 1:0.05～10 混合后，在保护气氛中加热至 500～950℃，保持 1～10 小时；（3）除杂将步骤（2）获得的产物冷却后，浸入浓度为0.2～6M的盐酸水溶液，除去杂质，经过滤、清洗和干燥后获得硅与石墨复合材料；（4）表面包覆将步骤（3）获得的复合材料与碳源一起加入高速搅拌机中，搅拌速度为500～2000 r/min；（5）碳化将包覆有碳源的石墨置于气氛保护炉中进行烧结，以 2 ～ 25℃ /min 的升温速率升至400～1000℃并保温 4～18 小时即可得到硅碳复合负极材料。作为一种优选方案，步骤（1）中所述的石墨为微晶石墨、鳞片石墨中的至少一种，其中碳含量为80～90%，二氧化硅含量为4 ～15%。作为一种优选方案，步骤（2）和步骤（5）中使用的保护气氛为氦气、氮气、氩气、二氧化碳中的至少一种。作为一种优选方案，步骤（4）中所述碳源为石油沥青、煤沥青、煤焦油中的至少一种，复合材料和碳源比例为1:0.01～0.1。本专利技术与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：通过镁热反应还原纯化后原料石墨中二氧化硅后，获得多孔硅与石墨的复合物，再进行表面包覆，获得用于锂离子电池的硅碳复合负极材料。本专利技术方法制备获得的复合材料中，硅均匀分布在石墨基体中，有利于提高硅的导电率，该材料作为锂离子电池负极材料时，内层的石墨和外层包覆的碳对硅材料起连接和支撑作用，有助于缓解体积带来的膨胀应力，因此具有可逆容量高，循环性能好，倍率性能优异的优点。具体而言，本专利技术采用上述技术方案后，主要有以下效果 ：1、本专利技术制备使用的原料来源丰富、价格低廉，工艺简单。2、本专利技术直接利用石墨原料中的杂质二氧化硅进行镁热还原而得到硅，变废为宝。同时作为杂质的二氧化硅在石墨原料中分布均匀，进而得到的硅碳复合材料中硅分布也均匀，使得材料性能均一性提高。3、原位复合的硅碳复合材料，由于导电性能和机械性能的提升，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。为更清楚地阐述本专利技术的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本专利技术进行详细说明。附图说明图1是本专利技术之较佳实施例的制备流程示意图。具体实施方式请参照图1所示，本专利技术揭示一种锂离子电池硅碳复合负极材料低成本制备方法，包括以下步骤：（1）石墨原料纯化将石墨浸渍于浓度为0.2～6M（mol/L）的盐酸溶液中浸泡一段时间后进行过滤和烘干，获得纯化石墨；该石墨为微晶石墨、鳞片石墨中的至少一种，其中碳含量为80～90%，二氧化硅含量为4 ～15%。（2）镁热还原将纯化石墨与镁粉按质量比 1:0.05～10 混合后，在保护气氛中加热至 500～950℃，保持 1～10 小时，该保护气氛为氦气、氮气、氩气、二氧化碳中的至少一种。（3）除杂将步骤（2）获得的产物冷却后，浸入浓度为0.2～6M（mol/L）的盐酸水溶液，除去杂质，经过滤、清洗和干燥后获得硅与石墨复合材料。（4）表面包覆将步骤（3）获得的复合材料与碳源一起加入高速搅拌机中，搅拌速度为500～2000 r/min；所述碳源为石油沥青、煤沥青、煤焦油中的至少一种，复合材料和碳源比例为1:0.01～0.1。（5）碳化将包覆有碳源的石墨置于气氛保护炉中进行烧结，以 2 ～ 25℃ /min 的升温速率升至400～1000℃并保温 4～18 小时即可得到硅碳复合负极材料，气氛保护炉中使用的保护气氛为氦气、氮气、氩气、二氧化碳中的至少一种。下面用具体实施例对本专利技术进行说明。实施例1（1）石墨原料纯化将石墨浸渍于浓度为0.2M（mol/L）的盐酸溶液中浸泡一段时间后进行过滤和烘干，获得纯化石墨；在本实施例中，该石墨为微晶石墨，其中碳含量为80%，二氧化硅含量为15%。（2）镁热还原将纯化石墨与镁粉按质量比 1:0.05 混合后，在保护气氛中加热至 500℃，保持 5小时，在本实施例中，该保护气氛为氦气。（3）除杂将步骤（2）获得的产物冷却后，浸入浓度为2M（mol/L）的盐酸水溶液，除去杂质，经过滤、清洗和干燥后获得硅与石墨复合材料。（4）表面包覆将步骤（3）获得的复合材料与碳源一起加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂离子电池硅碳复合负极材料低成本制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）石墨原料纯化将石墨浸渍于浓度为0.2～6M的盐酸溶液中浸泡一段时间后进行过滤和烘干，获得纯化石墨；（2）镁热还原将纯化石墨与镁粉按质量比 1:0.05～10 混合后，在保护气氛中加热至 500～950℃，保持 1～10 小时；（3）除杂将步骤（2）获得的产物冷却后，浸入浓度为0.2～6M的盐酸水溶液，除去杂质，经过滤、清洗和干燥后获得硅与石墨复合材料；（4）表面包覆将步骤（3）获得的复合材料与碳源一起加入高速搅拌机中，搅拌速度为500～2000 r/min；（5）碳化将包覆有碳源的石墨置于气氛保护炉中进行烧结，以 2 ～ 25℃ /min 的升温速率升至400～1000℃并保温 4～18 小时即可得到硅碳复合负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池硅碳复合负极材料低成本制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）石墨原料纯化
将石墨浸渍于浓度为0.2～6M的盐酸溶液中浸泡一段时间后进行过滤和烘干，获得纯化石墨；
（2）镁热还原
将纯化石墨与镁粉按质量比 1:0.05～10 混合后，在保护气氛中加热至 500～950℃，保持 1～10 小时；
（3）除杂
将步骤（2）获得的产物冷却后，浸入浓度为0.2～6M的盐酸水溶液，除去杂质，经过滤、清洗和干燥后获得硅与石墨复合材料；
（4）表面包覆
将步骤（3）获得的复合材料与碳源一起加入高速搅拌机中，搅拌速度为500～2000 r/min；
（5）碳化
将包覆有碳源的石墨置于气氛保护炉中进行烧结，以 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋宏芳，赵东辉，戴涛，周鹏伟，
申请(专利权)人：东莞市翔丰华电池材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44