一种新型纳米硅‑碳锂离子电池负极材料及其制备方法技术

一种新型纳米硅‑碳锂离子电池负极材料及其制备方法，属于锂离子电池技术领域和纳米技术领域。包括球形纳米硅‑碳复合材料及在其外面包覆的碳，所述球形纳米硅‑碳复合材料由纳米硅颗粒和碳组成，其重量比4:6，外面包覆的碳由有机碳热解而成，占电池负极材料总重量的6%。本发明专利技术利用碳材料在充放电过程中体积变化小，导电性能好，具有较好的循环稳定性，硅与碳化学性质接近，两者能紧密结合。本发明专利技术得到的新型纳米硅‑碳负极材料，很好的解决了硅颗粒在锂离子电池充放电过程中的团聚现象。采用碳材料包裹纳米硅颗粒改善了材料的导电性。

【技术实现步骤摘要】
一种新型纳米硅-碳锂离子电池负极材料及其制备方法
本专利技术涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法，尤其是一种新型纳米硅-碳锂离子电池负极材料及其制备方法，属于锂离子电池
和纳米

技术介绍
锂离子电池作为新能源产业重要环节，产品得到了广泛的应用。市场对锂离子电池提高能量密度有了越来越高的要求，每年以7%-10%的速率提升。目前石墨材料是最为普遍使用的锂电池负极材料，但是石墨负极材料理论储锂容量只有372Ma.h/g。2016年，国家发布了动力电池能量密度硬性指标，根据《节能与新能源汽车技术线路图》，2020年，纯电动汽车动力电池的能量密度目标为350W.H/KG。开发新型锂离子电池负极材料越来越紧迫。硅（Si）是自然界储量丰富的元素，在常温下可以与锂生成Li15Si4相，理论克比容量高达4200mA.h/g,远高于石墨材料的容量，而且成本低，资源丰富。硅负极材料作为新型材料得到了关注，是最具潜力的锂电池负极材料之一。然而，硅负极材料在锂离子电池充放电过程中会发生循环性能和容量严重衰减。硅在充放电过程中体积膨胀最高达320%，巨大的体积变化导致活性物质从集流体上脱落，造成电池的循环性能急剧下降；同时，硅颗粒在充放电过程中容易发生团聚，硅材料用于负极材料还存在导电性能不佳的问题，影响性能发挥。因此，迫切需要提供一种储锂容量高、循环性能好的锂离子电池负极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种储锂容量高、循环性能好的新型纳米硅-碳锂离子电池负极材料及其制备方法，本专利技术利用纳米硅材料和碳合成的锂离子电池负极材料能够大大提高锂离子电池的各项性能。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种新型纳米硅-碳锂离子电池负极材料，其特征是，包括球形纳米硅-碳复合材料及在其外面包覆的碳，所述球形纳米硅-碳复合材料由纳米硅颗粒和碳组成，其重量比4:6，外面包覆的碳由有机碳热解而成，占电池负极材料总重量的6%。进一步地，所述有机碳由有机硬碳材料及有机软碳材料构成。上述新型纳米硅-碳锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：1）准备原料：纳米级硅细粉、有机硬碳材料及有机软碳材料；将有机硬碳材料及有机软碳材料分成两部分，一部分用于制备纳米硅-碳复合材料，另一部分用于制备有机碳粉，两部分材料的重量比为1:1；2）将步骤1）的纳米硅细粉和用于制备纳米硅-碳复合材料的有机硬碳材料碳及有机软碳材料放进混炼机中充分混匀，混合时先将有机硬碳材料碳及有机软碳材料加热到熔融状态，然后将纳米硅细粉均匀加入，最后混合均匀后冷却压块；3）将步骤2）制得的压块在碳化炉中600-800°C温度下烧结碳化，升温时间1-3小时，保温时间1-3小时，碳化炉内充氮气保护；待物料冷却后进行粉碎和整形，得到球形和类球形的纳米硅-碳复合材料；4）将步骤1）中用于制备有机碳粉的有机硬碳材料及有机软碳材料混合粉碎，得到有机碳粉；5）将步骤3）制得的纳米硅-碳复合材料和步骤4）制得的有机碳粉在混合机中搅拌混合，搅拌时间2-4小时，将有机碳粉充分均匀包裹在纳米硅-碳复合材料的表面；6）将步骤5）所得材料在高温碳化炉中加热到800-1200°C，升温时间1-3小时，保温时间控制在2-4小时，碳化炉内充氮气保护；有机碳中的有机成份充分挥发，有机碳生成定型碳，由于有机软碳材料和有机硬碳材料在热解过程中收缩率不同，在材料的内部产生大量的纳米级的收缩空隙，从而在纳米硅-碳复合材料的内部形成了“丝瓜络”状的立体网络架构围绕在硅粒子周围，同时纳米硅-碳复合材料外部表面形成完整的碳包裹层，最终制得该电池负极材料。进一步地，步骤2）中，所述纳米硅细粉、有机硬碳材料碳及有机软碳材料的重量比4：3：3。进一步地，步骤3）中，纳米硅-碳复合材料的粒径在6-45μm，粒度分布指标D50控制在15μm。进一步地，步骤4）中，有机硬碳材料及有机软碳材料的重量比为1:1，制得的有机碳粉的粒径为1-6μm。本专利技术利用碳材料在充放电过程中体积变化小，导电性能好，具有较好的循环稳定性，硅与碳化学性质接近，两者能紧密结合。本专利技术得到的新型纳米硅-碳负极材料，很好的解决了硅颗粒在锂离子电池充放电过程中的团聚现象。采用碳材料包裹纳米硅颗粒改善了材料的导电性。本专利技术的材料中，纳米硅颗粒作为活性物质，提供储锂容量，碳材料在复合体中以立体的网架结构存在，缓冲充放电过程中硅负极的体积膨胀，减低材料内部的应力。在0.2C的电流充放电条件下首次可逆克比容量能达到1450mA.h/g。在该结构中，纳米硅和碳之间存在一定量的空隙，使硅在锂化膨胀时不破坏碳结构，从而使复合材料表面能形成稳定的SEI膜，大大提高了循环性能，循环300周后容量能保持在90%以上。本专利技术创造性地专利技术了硅负极材料的可商业化制造方法，克服了硅作为锂离子电池负极材料使用的缺陷，作为一种新型的纳米硅-碳负极材料具有材料易得、成本低，目标实现手段容易的优点。本专利技术是一种储锂容量高、电压平台良好、循环性能好的锂离子电池负极材料。具体实施方式一种新型纳米硅-碳锂离子电池负极材料：由球形纳米硅-碳复合材料及外面包覆的碳构成，所述球形纳米硅-碳复合材料由纳米硅颗粒和碳组成，其重量比4:6，外面包覆的碳由有机碳热解而成，占材料总重量的6%。一种新型纳米硅-碳锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：1）准备原料：纳米级硅细粉、有机硬碳材料及有机软碳材料；将有机硬碳材料及有机软碳材料分成两部分，一部分用于制备纳米硅-碳复合材料，另一部分用于制备有机碳粉；2）将步骤1）的纳米硅细粉和用于制备纳米硅-碳复合材料的有机硬碳材料碳及有机软碳材料放进混炼机中充分混匀，混合时先将有机硬碳材料碳及有机软碳材料加热到熔融状态，然后将纳米硅细粉均匀加入，最后混合均匀后冷却压块；所述纳米硅细粉、有机硬碳材料碳及有机软碳材料的重量比4：3：3；3）将步骤2）制得的压块在碳化炉中800°C温度下烧结碳化，升温时间3小时，800°C保温时间2小时，碳化炉内充氮气保护；待物料冷却后进行粉碎和整形，得到球形和类球形的纳米硅-碳复合材料；所述纳米硅-碳复合材料的粒径在6-45μm，D50控制在15μm；4）将步骤1）中用于制备有机碳粉的有机硬碳材料及有机软碳材料混合粉碎，得到有机碳粉；所述有机硬碳材料及有机软碳材料的重量比为1:1，制得的有机碳粉的粒径为3μm；5）将步骤3）制得的纳米硅-碳复合材料和步骤4）制得的有机碳粉在混合机中搅拌混合，搅拌时间2小时，将有机碳粉充分均匀包裹在纳米硅-碳复合材料的表面；6）将步骤5）所得材料在高温碳化炉中加热到1200°C，升温时间3小时，保温时间控制在2-4小时；有机碳中的有机份充分挥发，有机碳生成定型碳，由于有机软碳材料和有机硬碳材料在热解过程中收缩率不同，在材料的内部产生大量的纳米级的收缩空隙，从而在纳米硅-碳复合材料的内部形成了“丝瓜络”状的立体网络架构围绕在硅粒子周围，同时纳米硅-碳复合材料外部表面形成完整的碳包裹层，最终制得该电池负极材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型纳米硅‑碳锂离子电池负极材料，其特征是，包括球形纳米硅‑碳复合材料及在其外面包覆的碳，所述球形纳米硅‑碳复合材料由纳米硅颗粒和碳组成，其重量比4:6，外面包覆的碳由有机碳热解而成，占电池负极材料总重量的6%。

【技术特征摘要】
1.一种新型纳米硅-碳锂离子电池负极材料，其特征是，包括球形纳米硅-碳复合材料及在其外面包覆的碳，所述球形纳米硅-碳复合材料由纳米硅颗粒和碳组成，其重量比4:6，外面包覆的碳由有机碳热解而成，占电池负极材料总重量的6%。2.根据权利要求1所述的一种新型纳米硅-碳锂离子电池负极材料，其特征是，所述有机碳由有机硬碳材料及有机软碳材料构成。3.根据权利要求1-2所述的一种新型纳米硅-碳锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：1）准备原料：纳米级硅细粉、有机硬碳材料及有机软碳材料；将有机硬碳材料及有机软碳材料分成两部分，一部分用于制备纳米硅-碳复合材料，另一部分用于制备有机碳粉，两部分材料的重量比为1:1；2）将步骤1）的纳米硅细粉和用于制备纳米硅-碳复合材料的有机硬碳材料碳及有机软碳材料放进混炼机中充分混匀，混合时先将有机硬碳材料碳及有机软碳材料加热到熔融状态，然后将纳米硅细粉均匀加入，最后混合均匀后冷却压块；3）将步骤2）制得的压块在碳化炉中600-800°C温度下烧结碳化，升温时间1-3小时，保温时间1-3小时，碳化炉内充氮气保护；待物料冷却后进行粉碎和整形，得到球形和类球形的纳米硅-碳复合材料；4）将步骤1）中用于制备有机碳粉的有机硬碳材料及有机软碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱承亮，应雪赞，
申请(专利权)人：扬州亚特尔新能源材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32