一种硅碳负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于储能研究领域，特别涉及一种硅碳负极材料，所述硅碳负极材料包括核结构和壳结构，所述核结构具有由纳米一次颗粒均匀分散于导电剂后紧密堆积而成的二次颗粒结构，所述纳米一次颗粒包括纳米硅基颗粒；并且所述纳米硅基颗粒之间、所述导电剂之间以及所述纳米硅基颗粒与所述导电剂之间均分布有导电网络，且所述导电网络与所述纳米硅基颗粒及所述导电剂紧密连接,从而确保该硅碳负极材料具有优良的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳负极材料及其制备方法
本专利技术属于储能材料
，特别涉及一种硅碳负极材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池以其比能量大、工作电压高、自放电率小、体积小、重量轻等优势，自其诞生以来，便给储能领域带来了革命性的变化，被广泛应用于各种便携式电子设备和电动汽车中。然而随着人们生活水平的提高，更高的用户体验对锂离子电池提出了更高的要求：质量更轻、使用时间更长等；为了解决上述问题必须寻找新的性能更加优异的电极材料。目前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨，但因其理论容量仅为372mAh·g-1，已不能满足用户的迫切需求；因此，更高比容量的负极材料的开发迫在眉睫。作为锂离子电池负极材料，硅材料一直备受关注。其理论容量为4200mAh·g-1，是已商业化的石墨容量的10倍以上，且具有低的嵌锂电位、低原子重量、高能量密度、价格较便宜、环境友好等优势，因此是新一代高容量负极材料的最优选择之一。但是由于硅材料本身导电性能差、且充放电过程中体积膨胀大而容易造成材料结构破坏和机械粉碎，导致其循环性能衰减快，限制了其更广泛的应用。为了解决上述问题，现有技术主要有硅颗粒纳米化、向硅基材料颗粒中加入具有优良导电性能的导电材料等等，以提高硅基材料整体颗粒的导电性能，同时解决材料充放电过程中硅基材料机械粉碎等问题。然而纳米结构的硅基颗粒极易团聚，分散难度大；而常用的导电剂材料，通常尺寸均较小(纳米级)，且比表面积较大，分散难度更大。但时，要最大化导电剂的导电效果以及制备性能更加优良的硅基二次颗粒材料，必须确保纳米硅基颗粒与导电剂均匀分散。同时，纳米结构硅基材料与导电剂之间的粘接力较弱，在体积膨胀过程中很容易导致两者之间断开，从而影响硅碳材料的电化学性能。有鉴于此，确有必要提出一种硅碳负极材料及其制备方法，其能够将两种分散难度均较大的材料(纳米硅基颗粒、导电剂)均匀分散，同时确保两者之间紧密连接在一起，从而制备得到性能优良的硅碳负极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供的一种硅碳负极材料，其能够将两种分散难度均较大的材料(纳米硅基颗粒、导电剂)均匀分散，同时确保两者之间紧密连接在一起，从而制备得到性能优良的硅碳负极材料，从而确保该硅碳负极材料具有优良的电化学性能。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种硅碳负极材料，所述硅碳负极材料为一次颗粒紧密堆积得到的二次颗粒结构，所述二次颗粒中包含一次颗粒和导电剂组分，所述一次颗粒包括有纳米硅基颗粒；所述纳米硅基颗粒之间、所述导电剂之间以及所述纳米硅基颗粒与所述导电剂之间分布有导电网络，且所述导电网络与所述纳米硅基颗粒及所述导电剂组分之间紧密连接。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述导电网络由高分子材料碳化得到；所述高分子材料在碳化之前，均匀的分布于所述纳米硅基颗粒及所述导电剂之间，并将所述纳米硅基颗粒之间、所述导电剂之间以及所述纳米硅基颗粒与所述导电剂之间紧密粘接在一起。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述高分子由高分子单体原位聚合而得到。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述纳米硅基颗粒为单质硅颗粒或/和硅氧化物颗粒；所述导电剂组分包括导电炭黑、超级导电谈、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑、高分子材料碳化得到的导电网络中的至少一种；所述一次颗粒还可以包括非纳米硅基负极颗粒；所述非纳米硅基负极颗粒为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、碳酸锂、锡基负极材料、过渡金属氮化物、锡基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金中的至少一种；本专利技术还包括一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：步骤1，捏合：将纳米一次颗粒、聚合物单体混合后捏合，使得聚合物单体均匀的分散于纳米一次颗粒表面；步骤2，聚合反应：向步骤1的产物中加入引发剂，促使聚合单体发生聚合反应，生成的聚合物网络结构包覆于纳米一次颗粒表面；步骤3，造球：选择聚合反应发生到一定程度的步骤2得到的产物，进行造球，得到二次颗粒；步骤4，硅碳负极制备：将步骤3得到的产物进行包覆、碳化，即得到成品硅碳负极材料。壳结构是指负极材料通用的包覆层，主要为沥青等材料包覆、碳化得到，因此本专利技术不做详细阐述。作为本专利技术硅碳负极材料制备方法的一种改进，步骤1所述聚合物单体包括丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类、苯乙烯、丙烯腈、甲基丙烯腈、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、二乙烯基苯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-丙烯酰吗啉、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、正丙烯酸己酯、2-丙烯酸环己酯、丙烯酸十二酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、四甘醇二丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯、乙氧化季戊四醇四丙烯酸酯、丙氧化季戊四醇丙烯酸酯、双-三羟基丙烷四丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、丙氧化甘油三丙烯酸酯、三(2-羟乙基)异氰脲酸三丙烯酸酯三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯中的至少一种；步骤2所述引发剂为异丙苯过氧化氢、特丁基过氧化氢、过氧化二异丙苯、过氧化二特丁基、过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化苯甲酸特丁酯、过氧化特戊酸特丁酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯中的至少一种。作为本专利技术硅碳负极材料制备方法的一种改进，步骤1所述纳米一次颗粒中包含有纳米硅基颗粒；所述纳米一次颗粒中还可以包括非纳米硅基负极颗粒，所述非纳米硅基负极颗粒为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、碳酸锂、锡基负极材料、过渡金属氮化物、锡基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金中的至少一种；捏合反应时还可以加入高分子聚合物、碳源组分、导电剂组分或/和溶剂组分，所述高分子聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚丙烯晴(PAN)中的至少一种、所述碳源组分包括葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉、环糊精、糠醛、蔗糖、葡萄糖、玉米淀粉、木薯淀粉、小麦淀粉、纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯蜡、酚醛树脂、乙烯基吡咯烷酮、环氧树脂、聚氯乙烯、聚糖醇、呋喃树脂、脲醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯或聚丙烯腈、石油焦、油系针状焦、煤系针状焦中至少一种，所述导电剂组分包括导电炭黑、超级导电谈、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑中的至少一种，水、醇类、酮类、烷类、酯类、芳香类、N-甲基吡咯烷酮、二甲基酰胺、二乙基甲酰胺、二甲基亚砜和四氢呋喃中的至少一种。作为本专利技术硅碳负极材料制备方法的一种改进，步骤1所述捏合过程为：将纳米一次颗粒、硅烷偶联剂、聚合物单体、溶剂1捏合，得到混合物1；将导电剂组分、表面活性剂、溶剂2捏合，得到混合物2；再将混合物1与混合物2共混，所述共混方式包括捏合、球磨、沙磨、高压均质、高速剪切中的至少一种，分散均匀得到前驱体浆料。作为本专利技术硅碳负极材料制备方法的一种改进，步骤3所述聚合反应发生到一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料包括核结构和壳结构，所述核结构具有由纳米一次颗粒均匀分散于导电剂后紧密堆积而成的二次颗粒结构，所述纳米一次颗粒包括纳米硅基颗粒；并且所述纳米硅基颗粒之间、所述导电剂之间以及所述纳米硅基颗粒与所述导电剂之间均分布有导电网络，且所述导电网络与所述纳米硅基颗粒及所述导电剂紧密连接。

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料包括核结构和壳结构，所述核结构具有由纳米一次颗粒均匀分散于导电剂后紧密堆积而成的二次颗粒结构，所述纳米一次颗粒包括纳米硅基颗粒；并且所述纳米硅基颗粒之间、所述导电剂之间以及所述纳米硅基颗粒与所述导电剂之间均分布有导电网络，且所述导电网络与所述纳米硅基颗粒及所述导电剂紧密连接。2.一种权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述导电网络由高分子材料碳化得到；所述高分子材料在碳化之前，均匀的分布于所述纳米硅基颗粒及所述导电剂之间，并将所述纳米硅基颗粒与所述导电剂紧密粘接在一起。3.一种权利要求2所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述高分子材料由高分子单体原位聚合而得到。4.一种权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述纳米硅基颗粒为单质硅颗粒或/和硅氧化物颗粒；所述导电剂包括导电炭黑、超级导电碳、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑、高分子材料碳化得到的导电网络中的至少一种；所述一次颗粒还包括非纳米硅基负极颗粒；所述非纳米硅基负极颗粒为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、碳酸锂、锡基负极材料、过渡金属氮化物、锡基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金中的至少一种。5.一种权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：步骤1，捏合：将至少含有纳米一次颗粒和聚合物单体的组分混合后捏合，使得聚合物单体均匀的分散于纳米一次颗粒表面，得到前驱体浆料；步骤2，聚合反应：向步骤1的产物中加入引发剂，促使聚合物单体发生聚合反应，生成的聚合物网络结构包覆于纳米一次颗粒的表面；步骤3，造球：选择聚合反应发生到一定程度的步骤2得到的产物，进行造球，得到二次颗粒；步骤4，硅碳负极制备：将步骤3得到的产物进行包覆、碳化，即得到成品硅碳负极材料。6.一种权利要求5所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤1所述聚合物单体包括丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类、苯乙烯、丙烯腈、甲基丙烯腈、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、二乙烯基苯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛方会，杨玉洁，
申请(专利权)人：广东烛光新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44