硅碳负极材料及其制备方法、电池技术

本发明专利技术公开了硅碳负极材料及其制备方法、电池。具体地，本发明专利技术提出了一种制备硅碳负极材料的方法，包括：将纳米硅颗粒、有机分散剂、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，以便形成第一混合液；对所述第一混合液进行喷雾干燥处理，以便形成所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的硅材料；对所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的所述硅材料进行烧结处理，以便形成石墨烯‑有机碳‑硅复合材料，以便形成所述硅碳负极材料。由此，该方法操作简便，且利用该方法所制备的硅碳负极材料形成电池的负极后，负极的膨胀率较低，克容量较高，循环性能良好，提高了电池的使用性能。

Silicon Carbon Anode Material, Preparation Method and Battery

【技术实现步骤摘要】
硅碳负极材料及其制备方法、电池
本专利技术涉及电池
，具体地，涉及硅碳负极材料及其制备方法、电池。
技术介绍
目前，锂离子电池因其电压稳定、容量高、能量密度大、循环寿命长、环境友好等优势，被广泛应用于摄像机、移动电话、笔记本电脑、电动交通工具等设备上。锂离子电池的负极材料是决定其性能的关键因素，其中，石墨因价格较为低廉，在电池负极材料领域占有重大份额，但是，目前常用的石墨类负极材料的可逆比容量即将接近理论比容量372mA·h/g的极限，继续提升的空间有限，已经较难满足高能量密度电池需求。近年来，硅碳材料因其极高的理论比容量(4200mAh/g)，被公认为是下一代负极材料，受到了广泛的关注与研究。然而，目前的硅碳负极材料及其制备方法、电池仍有待改进。
技术实现思路
本申请是基于专利技术人对以下事实和问题的发现和认识作出的：虽然硅材料具有极高的理论比容量，但是，硅材料形成的负极在充放电脱/嵌锂的过程中，伴随着很大的体积膨胀(约280％)，给硅材料的进一步应用造成阻碍，例如，硅体积膨胀会造成颗粒粉化，电池的循环性能差，并且会使活性物质与导电粘结剂接触差等。目前，通常通过硅纳米化、将硅与活性或非活性物质复合处理、发展针对硅碳负极的电解液、改进粘结剂和改进电极结构等方法来提高硅负极材料的循环和倍率等性能。但是，上述方法制备的硅碳负极的倍率性能和循环性能仍然不能满足需求。因此，如果能提出一种新的制备硅碳负极材料的方法，该方法制备的硅碳负极材料的膨胀率较低，倍率性能和循环性能较高，将能在很大程度上解决上述问题。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备硅碳负极材料的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：将纳米硅颗粒、有机分散剂、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，以便形成第一混合液；对所述第一混合液进行喷雾干燥处理，以便形成所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的硅材料；对所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的所述硅材料进行烧结处理，以便形成石墨烯-有机碳-硅复合材料，以便形成所述硅碳负极材料。由此，该方法操作简便，且利用该方法所制备的硅碳负极材料形成电池的负极后，负极的膨胀率较低，克容量较高，循环性能良好，提高了电池的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述纳米硅颗粒和所述有机分散剂的重量比为1：(1-5)。由此，纳米硅颗粒和有机分散剂的比例在上述范围时，有机分散剂可以使纳米硅颗粒较为均匀地分散在第一溶剂中，便于后续该有机分散剂以及氧化石墨烯包覆纳米硅颗粒；并且，后续经过烧结处理后，有机分散剂可以在纳米硅颗粒表面形成有机碳包覆层，进一步减小了硅碳负极材料的体积膨胀率，提高了利用该材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。根据本专利技术的实施例，所述纳米硅颗粒和所述氧化石墨烯的重量比为1：(0.2-1.5)。由此，纳米硅颗粒和氧化石墨烯的重量比在上述范围时，氧化石墨烯可以较好地包覆纳米硅颗粒，可以降低纳米硅颗粒的体积膨胀以及颗粒粉化等，提高利用该材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。根据本专利技术的实施例，所述形成第一混合液进一步包括：将所述纳米硅颗粒和所述有机分散剂加入去离子水中并进行搅拌，以便形成第二混合液；将所述氧化石墨烯加入去离子水中并进行搅拌，以便形成第三混合液；将所述第二混合液和所述第三混合液混合，并进行超声分散，以便形成所述第一混合液。由此，该方法可以使纳米硅颗粒颗粒以及氧化石墨烯充分地分散和混合均匀，以便形成较好的有机分散剂和氧化石墨烯包覆的所述硅材料。根据本专利技术的实施例，所述有机分散剂包括非碳元素掺杂的高分子化合物。由此，该有机分散剂可以促进纳米硅颗粒在水中分散均匀，无需添加额外的分散剂；后续经过烧结处理后，该有机分散剂可以在纳米硅颗粒表面形成有机碳包覆层，降低纳米硅颗粒的体积膨胀等，并且，该有机分散剂中掺杂的非碳元素可以对石墨烯进行掺杂，提高了石墨烯的导电性，进一步提高了利用该硅碳负极材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。根据本专利技术的实施例，所述非碳元素包括氮、氧、硼、磷以及硅的至少之一。由此，上述元素在烧结处理后，可以较好地对石墨烯层进行掺杂，提高石墨烯的导电性，进一步提高利用该硅碳负极材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能等。根据本专利技术的实施例，所述有机分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、聚酰胺、聚酯以及硅油的至少之一。由此，上述有机分散剂较为廉价和易得，且使用性能良好，便于进行大规模生产。根据本专利技术的实施例，所述纳米硅颗粒的粒径为20-100nm。由此，进一步提高了所制备的硅碳负极材料的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述氧化石墨烯的层数为1-10层，片径为0.5-6μm。由此，进一步提高了所制备的硅碳负极材料的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述喷雾干燥处理的进风口温度为150-240℃，泵速为0.5-2L/h，风速为0.3-0.5m3/min，高压气体流量为5-30L/min。由此，进一步提高了所制备的硅碳负极材料的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述烧结处理在惰性气体和氢气的混合气体氛围中进行，所述烧结处理的升温速率为3-15℃/min，温度升至650-900℃，保温0.5-4h。由此，进一步提高了所制备的硅碳负极材料的使用性能。在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种硅碳负极材料。根据本专利技术的实施例，所述硅碳负极材料是由前面所述的方法制备的。由此，该硅碳负极材料具有前面任一项所述的方法所制备的硅碳负极材料所具有的全部特征以及优势，在此不再赘述。总的来说，该硅碳负极材料的体积膨胀率较低，利用该材料作为负极的电池的倍率性能以及循环性能良好。在本专利技术的又一方面，本专利技术提出了一种电池。根据本专利技术的实施例，该电池包括：正极；负极，所述负极包括前面所述的硅碳负极材料；隔膜，所述隔膜设置在所述正极与所述负极之间；以及电解液，所述正极的至少一部分、所述负极的至少一部分以及所述隔膜的至少一部分浸没在所述电解液中。由此，该电池具有前面所述的硅碳负极材料所具有的全部特征以及优势，在此不再赘述。总的来说，该电池倍率性能以及循环性能较好，使用性能良好。附图说明图1显示了根据本专利技术一个实施例的制备硅碳负极材料的方法流程图；图2显示了根据本专利技术另一个实施例的制备硅碳负极材料的方法流程图；图3显示了根据本专利技术一个实施例的电池的循环性能图；以及图4显示了根据本专利技术另一个实施例的电池的循环性能图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备硅碳负极材料的方法。该方法直接利用纳米硅颗粒作为原料，并且加入了有机分散剂促进纳米硅颗粒的分散，加入了氧化石墨烯包覆纳米硅颗粒；后续经过喷雾干燥处理以及烧结处理之后，纳米硅颗粒的表面依次包覆有有机碳以及石墨烯，可以较好地降低纳米硅颗粒的体积膨胀率，提高利用该材料作为负极的电池的倍率性能和循环性能等；并且有机分散剂中掺杂的杂原子可以对石墨烯进行掺杂，提高了石墨烯的导电率，进一步提高利用该材料作为负极的电池的倍率性能和循环性能等。根据本专利技术的实施例，参考图1，该方法包括：S100：将纳米硅颗粒、有机分散剂、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，形成第一混合液在该步骤中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备硅碳负极材料的方法，其特征在于，包括：将纳米硅颗粒、有机分散剂、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，以便形成第一混合液；对所述第一混合液进行喷雾干燥处理，以便形成所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的硅材料；对所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的所述硅材料进行烧结处理，以便形成石墨烯‑有机碳‑硅复合材料，以便形成所述硅碳负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种制备硅碳负极材料的方法，其特征在于，包括：将纳米硅颗粒、有机分散剂、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，以便形成第一混合液；对所述第一混合液进行喷雾干燥处理，以便形成所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的硅材料；对所述有机分散剂和所述氧化石墨烯包覆的所述硅材料进行烧结处理，以便形成石墨烯-有机碳-硅复合材料，以便形成所述硅碳负极材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米硅颗粒和所述有机分散剂的重量比为1：(1-5)。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米硅颗粒和所述氧化石墨烯的重量比为1：(0.2-1.5)。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成第一混合液进一步包括：将所述纳米硅颗粒和所述有机分散剂加入去离子水中并进行搅拌，以便形成第二混合液；将所述氧化石墨烯加入去离子水中并进行搅拌，以便形成第三混合液；将所述第二混合液和所述第三混合液混合，并进行超声分散，以便形成所述第一混合液。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机分散剂包括非碳元素掺杂的高分子化合物；任选地，所述非碳元素包...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑军华，王亚州，李星烁，刘一腾，
申请(专利权)人：蜂巢能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32