硅碳负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种硅碳负极材料及其制备方法和应用，该方法包括：将硅粉与固态碳源加入V型混合机中混合；以喷雾形式向V型混合机中加入液态碳源，经进一步混合后得到混合物；将混合物送至高速破碎机，液态碳源被拉丝成膜包覆在硅粉和固态碳源混合物的表面，得到含包覆层的混合物；将含包覆层的混合物在惰性气氛下进行焙烧，以便得到硅碳负极材料。采用该方法可制备得到硅与碳均匀分散且复合稳定的硅碳负极材料，并且可抑制硅在充放电过程中的膨胀，同时相比于采用现有制备工艺制备的硅碳负极材料具有更好的充放电性能、循环性能和充放电倍率性能，且该制备方法操作简单，摒弃了传统制备工艺的干燥工序，有利于工业化生产并降低生产成本。

Silicon carbon anode material and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
硅碳负极材料及其制备方法和应用
本专利技术属于负极材料及其应用
，具体而言，本专利技术涉及硅碳负极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着汽车及动力储能产品的不断发展，高比能量的锂离子电池成为了各个科研机构的首要研究课题。目前，锂离子电池负极大多为石墨，其实际放电比容量已接近其理论值372mAh/g，且当循环次数较多时石墨的层状结构容易剥离脱落，限制了石墨作为负极的锂电池比能量和性能的进一步提升。然而正极以多元化发展，包括磷酸铁锂、钴酸锂、三元(镍钴锰)复合材料及NCA(镍钴铝)等。为了更好的配合正极材料的发展，单纯的石墨材料已经难以满足高比能量锂离子电池的需求。在众多的材料中，硅因可以和锂形成二元合金且具有很高的理论容量(4200mAh/g)而备受关注，且硅还具有低的脱嵌锂电压平台(低于0.5VvsLi/Li+)、与电解液反应活性低、在地壳中储量丰富、价格低廉等优点，是一种非常具有前景的锂电池负极材料。但是硅作为锂电池负极具有致命的缺陷，当充电时锂离子可从正极材料脱出嵌入硅晶体内部晶格间，造成很大的膨胀(约300％)，形成硅锂合金；而放电时锂离子从晶格间脱出，又形成了很大的间隙。当单独使用硅晶体作为负极材料时，在锂离子脱嵌过程中硅晶体体积出现了明显的变化，这样的体积效应极易造成硅负极材料从集流体上剥离下来，导致极片露箔引起电化学腐蚀和短路等现象，进而影响电池的安全性和使用寿命。其次在首次充放电时同样也会形成SEI膜包覆在硅表面，但是由于硅体积效应造成的剥落情况会引起SEI膜的反复破坏与重建，从而加大了锂离子的消耗，最终影响电池的容量。现有技术中结合碳材料和硅材料的优缺点，经常将两者复合来使用，以最大化提高其实用性。在Si/C复合体系中，Si颗粒可作为活性物质，提供储锂容量，而C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。现有硅碳复合材料多通过液相法制备，液相法不仅涉及到干燥等后续工序，而且硅在碳源中分布不均与，出现团聚现象，因而在充放电过程中，硅的体积膨胀会影响到纳米硅与石墨烯片的结合稳定性。因此，现有硅碳负极材料的制备工艺有待进一步改进。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种硅碳负极材料及其制备方法和应用。采用该方法可制备得到硅与碳均匀分散且复合稳定的硅碳负极材料，并且可抑制硅在充放电过程中的膨胀，同时相比于采用现有制备工艺制备的硅碳负极材料具有更好的充放电性能、循环性能和充放电倍率性能，且该制备方法操作简单，摒弃了传统制备工艺的干燥工序，有利于工业化生产并降低生产成本。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：(1)将硅粉与固态碳源加入V型混合机中混合；(2)以喷雾形式向所述V型混合机中加入液态碳源，经进一步混合后得到混合物；(3)将所述混合物送至高速破碎机，所述液态碳源被拉丝成膜包覆在所述硅粉和所述固态碳源混合物的表面，得到含包覆层的混合物；(4)将所述含包覆层的混合物在惰性气氛下进行焙烧，以便得到硅碳负极材料。根据本专利技术实施例的制备硅碳负极材料的方法，通过将硅粉与固态碳源加入至V型混合机中混合，有利于将硅粉和固态碳源均匀分散；进一步的，通过以喷雾的形式向V型混合机中加入液态碳源并与混合均匀后的硅粉和固态碳源混合，有利于将液态碳源、硅粉和固态碳源均匀分散，同时以喷雾的形式添加液态碳源可避免混合物中的颗粒团聚，也有利于提高混合物中液态碳源的分散度，为后续在硅粉和固态碳源表面均匀成膜提供条件；通过将含液态碳源、硅粉和固态碳源的混合物送至高速破碎机中，液态碳源在高速破碎机中被拉丝成膜，并均匀包覆硅粉和固态碳源颗粒，得到含包覆层的混合物；该含包覆层的混合物在惰性气氛下焙烧后，可使得均匀分散的硅粉和固态碳源表面包覆均匀的碳层，得到硅与碳复合稳定的硅碳负极材料。该硅碳负极材料可抑制硅在充放电过程中的膨胀，且相比于采用现有制备工艺制备的硅碳负极材料具有更好的充放电性能、循环性能和充放电倍率性能，且该制备方法操作简单，摒弃了传统制备工艺的干燥工序，有利于工业化生产并降低生产成本。另外，根据本专利技术上述实施例的制备硅碳负极材料的方法还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述硅粉与所述固态碳源的质量比为5-15：100。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述硅粉的粒径为80-200nm。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述固态碳源选自石墨、膨胀石墨、石墨烯、掺杂石墨烯、碳管和鳞片石墨中的至少之一。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述固态碳源的最大尺寸为5-20μm。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述V型混合机的转速为10-15r/min，混合时间为1-4h。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述液态碳源的浓度为10-50wt％。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，步骤(1)所得混合物与所述液态碳源的质量比为2-5：1在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述液态碳源选自葡萄糖溶液、蔗糖溶液、淀粉溶液、聚乙二醇溶液、羧甲基纤维素钠溶液、聚丙烯醇溶液、海藻酸钠溶液中的至少之一。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述V型混合机的转速为10-15r/min，混合时间为1-3h。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(3)中，所述高速破碎机的进料速度为200-600mg/min，所述拉丝成膜过程中所述高速破碎机内的压力为0.2-0.4mPa。在本专利技术的一些实施例中，在步骤(4)中，所述焙烧为以2-10℃/min的速率升温至600-1000℃，并在该温度下保温30-120min。在本专利技术的再一个方面，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采用上述制备硅碳负极材料的方法制备得到的。根据本专利技术实施例的硅碳负极材料，该硅碳负极材料中均匀分散的硅粉和固态碳源表面包覆有均匀的碳层，硅与碳复合稳定，可抑制硅在充放电过程中的膨胀，且相比于采用现有制备工艺制备的硅碳负极材料具有更好的充放电性能、循环性能和充放电倍率性能，同时生产成本低。在本专利技术的又一个方面，本专利技术提出了一种负极，根据本专利技术的实施例，所述负极包括负极集流体和与所述负极集流体相连的负极层，所述负极层包括上述硅碳负极材料。根据本专利技术实施例的负极，因该负极包括具有上述硅碳负极材料的负极层，硅粉与固态碳源分散均匀，且表面包覆有均匀的碳层，可抑制硅在充放电过程中的膨胀，使得该负极具有更好的充放电性能、循环性能和充放电倍率性能。在本专利技术的又一个方面，本专利技术提出了一种锂离子液态电池，根据本专利技术的实施例，所述锂离子液态电池包括上述负极。根据本专利技术实施例的锂离子液态电池，因该锂离子液态电池的负极含有上述硅碳负极材料，在充放电时可抑制硅的膨胀，使得锂离本文档来自技高网...

【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：/n(1)将硅粉与固态碳源加入V型混合机中混合；/n(2)以喷雾形式向所述V型混合机中加入液态碳源，经进一步混合后得到混合物；/n(3)将所述混合物送至高速破碎机，所述液态碳源被拉丝成膜包覆在所述硅粉和所述固态碳源混合物的表面，得到含包覆层的混合物；/n(4)将所述含包覆层的混合物在惰性气氛下进行焙烧，以便得到硅碳负极材料。/n

【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：
(1)将硅粉与固态碳源加入V型混合机中混合；
(2)以喷雾形式向所述V型混合机中加入液态碳源，经进一步混合后得到混合物；
(3)将所述混合物送至高速破碎机，所述液态碳源被拉丝成膜包覆在所述硅粉和所述固态碳源混合物的表面，得到含包覆层的混合物；
(4)将所述含包覆层的混合物在惰性气氛下进行焙烧，以便得到硅碳负极材料。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述硅粉与所述固态碳源的质量比为5-15：100；
任选的，在步骤(1)中，所述硅粉的粒径为80-200nm；
任选的，在步骤(1)中，所述固态碳源选自石墨、膨胀石墨、石墨烯、掺杂石墨烯、碳管和鳞片石墨中的至少之一；
任选的，在步骤(1)中，所述固态碳源的最大尺寸为5-20μm。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述V型混合机的转速为10-15r/min，混合时间为1-4h。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述液态碳源的浓度为10-50wt％；
任选的，在步骤(2)中，步骤(1)所得混合物与所述液态碳源的质量比...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈玉成，王俊美，郝胐，袁伟，
申请(专利权)人：新奥石墨烯技术有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13