一种硅碳复合粉体材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种硅碳复合粉体材料的制备方法，其包括以下步骤：将硅粉、石墨粉混合均匀后加入球磨机中，将球磨机的研磨仓体抽真空并通入惰性气体，再向球磨机冷却套中通入循环冷却水，设定球磨工艺参数进行球磨，球磨结束得到硅碳复合粉体材料；其中，所述硅粉与石墨粉的质量比为1:1~1:9。采用本发明专利技术的技术方案，制备工艺简单，周期短，成本低，得到的硅碳复合粉体材料作为锂离子电池负极材料具有较高的放电比容量，而且环境友好，无废水与溶剂产生，易实现规模化工业生产。

Preparation of a Silicon-Carbon Composite Powder Material

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合粉体材料的制备方法
本专利技术属于新能源与新材料制备
，尤其涉及一种硅碳复合粉体材料的制备方法。
技术介绍
目前，商业化的锂离子电池负极材料主要是石墨类材料，但是研究表明石墨类负极材料的实际容量已经非常接近其理论容量(372毫安时/克)，提升的空间已经十分有限，所以开发高容量、高性能的锂离子负极材料已迫在眉睫。硅作为锂离子电池负极材料具有最高的理论比容量(4200毫安时/克)，实际储锂容量为3579毫安时/克，大约是石墨类负极材料的10倍，被认为是最有潜力取代石墨成为下一代锂离子电池负极材料。但硅作为负极材料仍存在缺陷，充放电脱嵌锂离子过程中会造成了很大的体积膨胀(约300％)。硅的这种体积变化会产生机械作用力会造成颗粒的破碎、粉化，导致硅材料的容量急剧衰减，最终表现为较弱的循环稳定性。针对上述问题，提出的解决方案有两种，一种是减小颗粒尺寸，可以减小硅微粒的裂纹，减小硅微粒的粒度是减小应力的必要条件，一般公知技术采用几十纳米的硅粉；另一种是制备硅复合粉体，目前研究较多的是硅碳复合粉体。其能够有效的缓解硅在充放电过程中的体积膨胀，此方法已经广泛应用于锂离子电池负极材料改性研究当中。目前硅碳复合粉体的制备方法主要有湿法机械球磨，化学气相沉积法，喷雾干燥法和高温热解法等。专利CN105895873A一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法及应用中介绍将电感耦合等离子法与高能湿法球磨制备纳米硅粉混合，将混合后的粉体结合有机碳源分散剂、天然/人造石墨以1000转/分钟高速搅拌60分钟制得悬浊液，并加入去离子水以1500转/分钟搅拌2小时，以700摄氏度干燥3小时后加热退火制得硅碳复合粉体，其首次比容量达到876毫安时/克以上。专利CN106784732A一种碳包覆纳米硅复合材料及其制备方法及应用中介绍将表面氧化的硅粉在500～1300摄氏度下进行氧化扩散，然后进行碳包覆，再用氢氟酸溶液浸泡去除氧化层，制得的硅碳复合材料的容量达到900毫安时/克。纵观目前硅碳复合粉体的制备方法相关的公开内容，虽然都得到了硅碳复合材料，但存在一些不足，如制备工艺复杂，设备要求较高，制备过程中需进行烧结工艺，湿法球磨时间过长，能耗高等问题。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术公开了一种硅碳复合粉体材料的制备方法，工艺简单，周期短，易实现规模化工业生产；制备过程中无废水排出，成本低。对此，本专利技术采用的技术方案为：一种硅碳复合粉体材料的制备方法，其包括以下步骤：将硅粉、石墨粉混合均匀后加入球磨机中，将球磨机的研磨仓体抽真空并通入惰性气体，再向球磨机冷却套中通入循环冷却水，设定球磨工艺参数进行球磨，球磨结束得到硅碳复合粉体材料；其中，所述硅粉与石墨粉的质量比为1:1～1:9。进一步的，所述硅粉与石墨粉的质量比为1:9～6:4。作为本专利技术的进一步改进，所述石墨粉的中位粒度D50为5～20微米；所述硅粉的中位粒度D50为200-500纳米。进一步的，所述石墨粉的中位粒度D50为10微米。作为本专利技术的进一步改进，所述球磨机中研磨介质与硅碳粉体的质量比为(10-20):1。作为本专利技术的进一步改进，所述球磨机中的研磨介质为氧化锆、轴承钢球或者碳化硅中的至少一种。作为本专利技术的进一步改进，所述石墨粉为天然鳞片石墨、人造石墨、中间相碳微球中的至少一种。作为本专利技术的进一步改进，所述惰性气体为氮气、氩气、二氧化碳中的一种。作为本专利技术的进一步改进，球磨的工艺参数包括：先预磨，预磨时间为3～15分钟，预磨时搅拌轴转速为400～600转/分钟；再球磨，球磨时间为40～80分钟，搅拌轴转速为800/900～1000/1100转/分钟；最后冷却，冷却时间为5～15分钟，搅拌轴转速为300～500转/分钟，转速采用1分钟交变。其中，800/900转/分钟为转速为800转/分钟与900转/分钟每1分钟交变1次，1000/1100转/分钟为1000转/分钟与1100转/分钟每1分钟交变1次。作为本专利技术的进一步改进，所述球磨机为卧式搅拌球磨机，所述球磨机的水平的仓体内设有一个水平的搅拌轴，搅拌轴上设有5组搅拌叶片。所述球磨机采用卧式高能搅拌球磨机，该设备主要由水平设置的研磨仓、控制系统与电机部分组成，其中的研磨仓体为一个密闭的仓体。作为本专利技术的进一步改进，向球磨机冷却套中通入循环冷却水，使研磨仓体的内壁温度为15-25℃。研磨仓体外设有的冷凝器中通入循环冷却水，研磨仓体的冷凝水温度为15-25℃。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术的技术方案采用干式高能球磨法，球磨时间短，20-100分钟，工艺操作简单，革除了粉体的高温烧结与干燥工艺，减低能耗。其中采用200-500纳米的硅粉制备硅碳复合粉体制备的负极材料电性能达到一般公知技术采用100纳米以下的纳米硅粉，这样可以大幅降低锂离子电池负极材料的成本；硅碳比例为1:1～1:9，粉体的硅含量大于10％，一般公知技术硅含量在10％以下，与现有技术相比具有先进性。本专利技术技术方案得到的硅碳复合粉体材料作为锂离子电池负极材料具有较高的放电比容量。另外，本制备方法环境友好，采用干法球磨工艺替代湿法球磨制备工艺，无废水与溶剂产生。附图说明图1是本专利技术实施例1制得的硅碳复合粉体的SEM图。图2是本专利技术实施例1制得的硅碳复合粉体的TEM图。具体实施方式下面对本专利技术的较优的实施例作进一步的详细说明。实施例1一种硅碳复合粉体材料的制备方法，包括以下步骤：(1)选用30克中粒径为200纳米的硅粉、70克中位粒径为10微米的人造石墨，相互混合后加入高能球磨机舱体内。(2)向球磨机舱体内加入2千克的轴承钢球，研磨舱体抽真空后通入二氧化碳气体，冷却水温度为15℃。设定工艺参数为：在转速为400转/分钟的条件下预磨5分钟，球磨时间为40分钟，搅拌轴转速为1000/1100转/分钟，冷却转速为300转/分钟，冷却时间为10分钟。开始研磨工作直到程序运行完毕。打开出料口盖子，取出硅碳复合粉体与研磨介质，用筛分离研磨介质与复合粉体，硅碳复合粉体的中位径D50为4.5微米，振实密度为0.83g/cm3。将制得的硅碳复合粉体组装成锂离子电池负极材料，检测其电性能，硅碳复合材料的放电比容量为3145毫安时/克，首次库伦效率为93.9％。图1和图2分别是是实施例1产品的SEM、TEM图，得到的粉体粒径小，分散均匀。实施例2一种硅碳复合粉体材料的制备方法，包括以下步骤：(1)选用10克粒径为500纳米的硅粉、90克粒径为10微米的天然鳞片石墨，相互混合均匀后加入高能球磨机舱体内；(2)向球磨机舱体内加入1.5千克氧化锆球，研磨舱体抽真空后通入氮气，冷却水温度为20℃。在转速为500转/分钟的条件下预磨8分钟，球磨时间为60分钟，搅拌轴转速为800/900转/分钟，冷却转速为400转/分钟，时间为5分钟。开始研磨工作直到程序运行完毕。取出硅碳复合粉体与研磨介质，用筛分离研磨介质与复合粉体，硅碳复合粉体的粒径D50为4.10微米，振实密度为1.05g/cm3。将制得的硅碳复合粉体组装成锂离子电池负极材料，检测其电性能，硅碳复合材料的放电比容量为2932毫安时/克，首次库伦效率为88.5％。实施例3(1)选用100克粒径为300纳米硅粉、100g本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅碳复合粉体材料的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：将硅粉、石墨粉混合均匀后加入球磨机中，将球磨机的研磨仓体抽真空并通入惰性气体，再向球磨机冷却套中通入循环冷却水，设定球磨工艺参数进行球磨，球磨结束得到硅碳复合粉体材料。

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合粉体材料的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：将硅粉、石墨粉混合均匀后加入球磨机中，将球磨机的研磨仓体抽真空并通入惰性气体，再向球磨机冷却套中通入循环冷却水，设定球磨工艺参数进行球磨，球磨结束得到硅碳复合粉体材料。2.根据权利要求1所述的硅碳复合粉体材料的制备方法，其特征在于：所述硅粉与石墨粉的质量比为1:1~1:9。3.根据权利要求1所述的硅碳复合粉体材料的制备方法，其特征在于：所述石墨粉的中位粒度D50为5~20微米；所述硅粉的中位粒度D50为200-500纳米。4.根据权利要求1所述的硅碳复合粉体材料的制备方法，其特征在于：所述球磨机中研磨介质与硅碳粉体的质量比为（10-20）:1。5.根据权利要求4所述的硅碳复合粉体材料的制备方法，其特征在于：所述球磨机中的研磨介质为氧化锆、轴承钢球或者碳化硅中的至少一种。6.根据权利要求1所述的硅碳复合粉体材料的制备方法，其特征在于：向球磨...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈端云，蔡晓兰，李清湘，张爽，邱刚，潘文豪，肖义亮，江皇义，
申请(专利权)人：深圳市中金岭南科技有限公司，昆明海创兴科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44