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：将二氧化硅纳米颗粒、氧化石墨烯和第一溶剂混合，以便形成第一混合液；将壳聚糖溶于第二溶剂中，以便形成第二混合液；将第一混合液和第二混合液进行混合，以便形成第三混合液；对第三混合液进行烘干处理，以便形成壳聚糖‑氧化石墨烯‑二氧化硅复合材料；对壳聚糖‑氧化石墨烯‑二氧化硅复合材料进行烧结处理，以便形成有机碳‑石墨烯‑二氧化硅复合材料，以便形成硅碳负极材料。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，循环性能以及倍率性能良好，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：将二氧化硅纳米颗粒、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，以便形成第一混合液；将壳聚糖溶于第二溶剂中，以便形成第二混合液；将所述第一混合液和所述第二混合液进行混合，以便形成第三混合液；对所述第三混合液进行烘干处理，以便形成壳聚糖-氧化石墨烯-二氧化硅复合材料；对所述壳聚糖-氧化石墨烯-二氧化硅复合材料进行烧结处理，以便形成有机碳-石墨烯-二氧化硅复合材料，以便形成所述硅碳负极材料。由此，该方法中将壳聚糖、氧化石墨烯以及二氧化硅纳米颗粒复合，壳聚糖可以在氧化石墨烯的层间与氧化石墨烯上带负电荷的官能团键合，后续经过烧结处理形成的有机碳-石墨烯-二氧化硅复合材料，结构稳定，并且壳聚糖形成的有机碳层可以提高石墨烯片层之间的层间结合力，石墨烯以及有机碳包覆层可以为二氧化硅纳米颗粒的体积膨胀提供足够的空间，并对二氧化硅纳米颗粒的体积膨胀具有束缚力，进而可以较好地降低二氧化硅纳米颗粒的体积膨胀率，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。该方法操作简便，原料较为廉价易得，便于大规模生产，且利用该方法所制备的硅碳负极材料形成电池的负极后，负极膨胀率较低，结构较为稳定，克容量较高，循环性能以及倍率性能良好，提高了电池的使用性能。根据本专利技术的实施例，所述第一混合液中，所述氧化石墨烯和所述二氧化硅纳米颗粒的质量比为1：(1-6)。由此，氧化石墨烯和二氧化硅纳米颗粒的质量比在上述范围时，氧化石墨烯能较好地包覆二氧化硅，可以降低二氧化硅纳米颗粒的体积膨胀率以及颗粒粉化等，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，所述第三混合液中，所述氧化石墨烯和所述壳聚糖的质量比为1：(2-8)。由此，氧化石墨烯和壳聚糖的质量比在上述范围时，壳聚糖上带正电荷的官能团可以较好地和氧化石墨烯上带负电荷的官能团键合反应，可以较好地保持壳聚糖-石墨烯-二氧化硅复合材料的结构稳定性，并且可以为二氧化硅的体积膨胀提供足够的空间，可以降低负极材料的体积膨胀率以及颗粒粉化等，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：将所述氧化石墨烯加入所述第一溶剂中，以便形成氧化石墨烯分散液；将所述二氧化硅纳米颗粒加入所述氧化石墨烯分散液中，并进行搅拌；将添加了所述二氧化硅纳米颗粒的所述氧化石墨烯分散液进行球磨，以便形成所述第一混合液，其中，所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.5-10mg/mL。由此，氧化石墨烯分散液的浓度在上述范围时，可以与二氧化硅纳米颗粒较为均匀地混合分散；并且对添加了二氧化硅纳米颗粒的氧化石墨烯分散液进行球磨，便于后续步骤中第一混合液和壳聚糖的混合，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，所述第二溶剂为水和酸的混合溶剂，所述酸包括醋酸、盐酸、磷酸的至少之一。由此，上述酸可以将壳聚糖质子化，使其带有正电荷，便于壳聚糖上的官能团和氧化石墨烯表面带负电荷的官能团发生键合，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，所述壳聚糖的粘度为100-6000mPa.s。由此，壳聚糖的粘度在上述范围时，可以较好地与氧化石墨烯上带负电荷的官能团键合，并且可以较好地维持氧化石墨烯和二氧化硅纳米颗粒复合的稳定性，降低负极材料的体积膨胀率。根据本专利技术的实施例，所述形成第三混合液进一步包括：将所述第一混合液滴加入所述第二混合液的凝结浴中，同时进行搅拌。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，所述烘干处理包括：将所述第三混合液进行离心处理，离心速度为800-1200rpm，得到固体复合物；在真空氛围中对所述固体复合物进行烘干，烘干温度为70-90℃，以便形成所述壳聚糖-氧化石墨烯-二氧化硅复合材料。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。根据本专利技术的实施例，所述二氧化硅纳米颗粒包括气相二氧化硅纳米颗粒，所述二氧化硅纳米颗粒的粒径为5-50nm。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0.2-20μm。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，结构较为稳定，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；以及图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。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：将二氧化硅纳米颗粒、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，以便形成第一混合液；将壳聚糖溶于第二溶剂中，以便形成第二混合液；将所述第一混合液和所述第二混合液进行混合，以便形成第三混合液；对所述第三混合液进行烘干处理，以便形成壳聚糖‑氧化石墨烯‑二氧化硅复合材料；对所述壳聚糖‑氧化石墨烯‑二氧化硅复合材料进行烧结处理，以便形成有机碳‑石墨烯‑二氧化硅复合材料，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：将二氧化硅纳米颗粒、氧化石墨烯以及第一溶剂混合，以便形成第一混合液；将壳聚糖溶于第二溶剂中，以便形成第二混合液；将所述第一混合液和所述第二混合液进行混合，以便形成第三混合液；对所述第三混合液进行烘干处理，以便形成壳聚糖-氧化石墨烯-二氧化硅复合材料；对所述壳聚糖-氧化石墨烯-二氧化硅复合材料进行烧结处理，以便形成有机碳-石墨烯-二氧化硅复合材料，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，所述第一混合液中，所述氧化石墨烯和所述二氧化硅纳米颗粒的质量比为1：(1-6)。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三混合液中，所述氧化石墨烯和所述壳聚糖的质量比为1：(2-8)。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：将所述氧化石墨烯加入所述第一溶剂中，以便形成氧化石墨烯分散液；将所述二氧化硅纳米颗粒加入所述氧化石墨烯分散液中，并进行搅拌；将添加了所述二氧化硅纳米颗粒的所述氧化石墨烯分散液进行球磨，以便形成所述第一混合液，其中，所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.5-10mg/mL。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二溶剂为水和酸的混合溶剂，所述酸包括醋酸、盐酸、磷酸的至少之一...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑军华，王亚州，李星烁，
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