锂电池负极材料及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种锂电池负极材料制造方法，其包含：将一金属材及一碳材包覆于一硅材表面；进行一高温热处理，令金属材及碳材于硅材表面产生反应，而于硅材表面形成包含金属硅化物、金属氧化物、碳化硅(SiC)及硅氧化物的一复合物层，藉此形成一硅复合材；将一石墨材往复循环通过一高压通道，令石墨材受高压通道摩擦而剥离出多个石墨烯单元；交错混合石墨烯单元与硅复合材而形成一锂电池负极材料。经由碳化硅及石墨烯可提升充/放电维持率，并且经由金属硅化物及金属氧化物可抑制硅材体积膨胀，藉此延长锂电池使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
锂电池负极材料及其制造方法
本专利技术是关于一种锂电池负极材料及其制造方法；特别言之，是关于一种包含有碳化硅及多层石墨烯层的锂电池负极材料及其制造方法。
技术介绍
二次电池的使用于今日已相当普遍。基于二次电池可反复充电、重量轻、高操作电压的特性，可解决往习一次性电池寿命过短、电容量过低的问题，替电子器具的使用带来便利性，并可兼顾环保经济考量。二次电池的操作基本是基于电化学中的氧化-还原反应。一电化学电池结构中，最基本包含一正极、一负极、设置于正极及负极间的隔离膜以及反应用的电解液。例如图1所绘示的一习知锂电池100整体结构，其采用了常见的圆筒形结构，包含有一正极101、一负极102以及隔离膜103。电解液则被填充于正极101及负极102之间，并经由隔离膜103的设置，防止正极101及负极102接触而产生短路。上述的锂电池100于操作时，若为放电状态，则正极101发生还原作用，吸收电子；负极102发生氧化作用，放出电子。于充电状态时，则进行与上述相反的反应。通常所称的锂电池，是泛称采用锂金属作为负极活性材料的电化学电池。此是因锂金属本身具备活性大、反应电动势高、重量轻等优点。然而，以锂金属作为负极活性材料虽具备上述优点，但其制作成本仍过高；且于电池反复充放电过程中，锂离子将于锂金属表面反复沉积及溶解，而形成树枝状结晶物(DendriticStructure)。当树枝状结晶物逐渐堆积后，将有机会刺穿隔离膜，并穿过电解液与正极相接触；进而造成电池内部短路，并放出大量的反应热。最终将可能导致电池失效，甚至引起爆炸。为解决上述使用锂金属作为负极活性材料衍生的电池性能降低、使用上不安全以及成本过高的问题，多种以非金属化合物如碳材、碳复合物等取代锂金属作为锂电池负极材料已被提出。虽然以上述非金属化合物作为锂电池负极材料可大幅提高操作安全性，然而应用此等非金属化合物制成的锂电池仍遭遇性能不佳、使用寿命过短等问题，并且，其制作方法亦仍过于复杂，不符合成本及经济效益。缘此，仍亟需开发能应用于现有锂电池的新式的锂电池负极材料，以及能简易制作此等锂电池负极材料的方法，以提高锂电池的效能及使用寿命。
技术实现思路
明确言之，本专利技术提供一种锂电池负极材料。经由将包含碳化硅的硅复合材应用于锂电池的负极材料中，可提高锂电池的电容量及循环充放电效率。并且，于硅材表面形成含有金属硅化物、金属氧化物的复合物层，可抑制因硅材积膨胀而导致锂电池效能降低的问题。此外，本专利技术更将硅复合材与多个石墨烯单元通过高压通道均匀混合，可进一步增加锂电池的电容量及使用寿命。另外，本专利技术并提供可简易制作上述锂电池负极材料的制造方法，得以降低制造成本。为达上述目的，于一实施例中，本专利技术提供一种锂电池负极材料制造方法，包含：将一金属材及一碳材包覆于一硅材表面；进行一高温热处理，令金属材及碳材于硅材表面产生反应，而于硅材表面形成包含金属硅化物、金属氧化物、碳化硅(SiC)及硅氧化物的一复合物层，以及于硅材表面形成至少一突出物，且突出物的自由端扩大形成一头部，藉此形成一硅复合材，并以硅复合材形成一锂电池负极材料。上述的锂电池负极材料制造方法中，高温热处理的温度大于摄氏800度，小于摄氏1200度。于进行高温热处理时，可透过金属材之催化而促进碳化硅以及突出物之形成。上述的锂电池负极材料制造方法中，更包含：将一石墨材通过一高压通道，令石墨材受高压通道摩擦而剥离出多个石墨烯单元；在进行高温热处理之前，可先令此些石墨烯单元与硅材、金属材及碳材混合，之后再经高温热处理，以使金属材及碳材包覆于硅材表面并形成硅复合材。并且，可令此些石墨烯单元与硅材、金属材及碳材混合后，通过高压通道以便均匀混合此些石墨烯单元、硅材、金属材与碳材。上述的锂电池负极材料制造方法中，可令此些石墨烯单元与硅材、金属材及碳材混合，经过干燥及造粒作业，之后再经高温热处理而形成多数个呈球形的锂电池负极材料。于另一例中，上述的锂电池负极材料制造方法可包含将一石墨材通过一高压通道，令石墨材受高压通道摩擦而剥离出多个石墨烯单元；交错混合此些石墨烯单元与硅复合材。并且，令此些石墨烯单元与硅复合材混合后，通过高压通道以便均匀混合此些石墨烯单元与硅复合材。各石墨烯单元可包含层数为30层以下之石墨烯层。于另一实施例中，本专利技术提供一种锂电池负极材料，包含一硅复合材及多个石墨烯单元。硅复合材其包含一硅材及形成于硅材表面之一复合物层与至少一突出物，其中复合物层包含金属硅化物、金属氧化物、碳化硅(SiC)及硅氧化物。突出物的自由端扩大形成一头部。多个石墨烯单元系用以与硅复合材交错混合而形成一锂电池负极材料。上述的锂电池负极材料中，各石墨烯单元可包含层数为30层以下之石墨烯层。于又一实施例中，本专利技术提供一种锂电池负极材料，包括一硅材。硅材表面生成至少一突出物，且突出物的自由端扩大形成一头部。头部包覆有一碳材。硅材表面具有一复合物层，复合物层包含一金属之硅化物及碳化硅(SiC)，且头部包含此金属。上述的锂电池负极材料中，复合物层更包含金属氧化物。突出物具有一连接于硅材表面与头部之间的身部，且身部包含硅，并包覆有一碳材。突出物的长度可介于10纳米至800纳米。附图说明图1是绘示一习知锂电池整体结构的示意图；图2是绘示依据本专利技术一实施例的锂电池负极材料制造方法流程示意图；图3A是绘示依据图2的锂电池负极材料示意图；图3B是绘示锂电池负极材料的电子显微镜图；图4A至4B是绘示不同高温热处理温度下，锂电池负极材料使用各种黏合剂(binder)的循环充放电效率比较图；图5A至5G是绘示经高温热处理后形成各式复合物的电子显微镜图及成份分析图；图6是绘示于不同高温热处理温度下，锂电池负极材料的X光绕射光谱比较图；图7是绘示于经高温热处理后，经过及未经过ELP处理的X光绕射光谱比较图；图8A至8D是绘示不同高温热处理温度下，锂电池的循环充放电效率比较图；图9是绘示依据本专利技术一实施例的高压通道示意图；图10是绘示石墨材经过图9的高压通道所形成包含多层石墨烯层的极片示意图；图11是绘示石墨材经过多次循环往复通过高压通道后，形成多层石墨烯层的拉曼量测结果；图12是绘示通过高压通道不同次数的电子显微镜图；以及图13A至13B是绘示硅复合材及石墨烯单元经过高压通道或未经过高压通道混合对锂电池循环充放电效率比较图。具体实施方式以下将参照附图说明本专利技术的数个实施例。为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本专利技术。也就是说，在本专利技术部分实施例中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些习知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示之。请参照图2，其是绘示依据本专利技术的一实施例的锂电池负极材料制造方法流程示意图。锂电池负极材料制造方法是包含下列步骤。步骤S101，将一金属材及一碳材包覆于一硅材表面。步骤S102，进行一高温热处理，令金属材及碳材于硅材表面产生反应，而于硅材表面形成一复合物层，复合物层包含金属硅化物、金属氧化物、碳化硅(SiC)及硅氧化物。步骤S103，将一石墨材往复循环通过一高压通道，令石墨材与高压通道摩擦而被剥离产生多个石墨烯单元。步骤S104，交错混合多个石墨烯单元与硅复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锂电池负极材料制造方法，其特征在于，包含：将一金属材及一碳材包覆于一硅材表面；进行一高温热处理，令该金属材及该碳材于该硅材表面产生反应，而于该硅材表面形成包含金属硅化物、金属氧化物、碳化硅及硅氧化物的一复合物层，以及于该硅材表面形成至少一突出物，且该突出物的自由端扩大形成一头部，藉此形成一硅复合材，并以该硅复合材形成一锂电池负极材料。

【技术特征摘要】
2015.12.30 TW 104144501;2016.12.07 TW 1051404871.一种锂电池负极材料制造方法，其特征在于，包含：将一金属材及一碳材包覆于一硅材表面；进行一高温热处理，令该金属材及该碳材于该硅材表面产生反应，而于该硅材表面形成包含金属硅化物、金属氧化物、碳化硅及硅氧化物的一复合物层，以及于该硅材表面形成至少一突出物，且该突出物的自由端扩大形成一头部，藉此形成一硅复合材，并以该硅复合材形成一锂电池负极材料。2.如权利要求1所述的锂电池负极材料制造方法，其特征在于，该高温热处理的温度大于摄氏800度，小于摄氏1200度。3.如权利要求1所述的锂电池负极材料制造方法，其特征在于，于进行该高温热处理时，通过该金属材的催化而促进碳化硅以及该突出物的形成。4.如权利要求1所述的锂电池负极材料制造方法，其特征在于，更包含：将一石墨材通过一高压通道，令该石墨材受该高压通道摩擦而剥离出多个石墨烯单元；在进行高温热处理之前，先令该些石墨烯单元与该硅材、该金属材及该碳材混合，之后再经高温热处理，以使该金属材及该碳材包覆于该硅材表面并形成该硅复合材。5.如权利要求4所述的锂电池负极材料制造方法，其特征在于，更包含：令该些石墨烯单元与该硅材、该金属材及该碳材混合后，通过该高压通道以便均匀混合该些石墨烯单元、该硅材、该金属材与该碳材。6.如权利要求4所述的锂电池负极材料制造方法，其特征在于，更包含：令该些石墨烯单元与该硅材、该金属材及该碳材混合，经过干燥及造粒作业，之后再经高温热处理而形成多数个呈球形的锂电池负极材料。7.如权利要求1所述的锂电池负极材料制造...

【专利技术属性】
技术研发人员：林汉涂，贺安丽，苏莹莹，陈展添，郑荣瑞，林坤丰，
申请(专利权)人：友达晶材股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾,71