一种锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料的及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池负极材料与电化学领域，具体涉及一种锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料的及其制备方法，所述硅碳负极材料为多孔核壳结构，内核由纳米硅和多孔碳均相复合形成，外壳是有机裂解碳源形成的碳包覆，本发明专利技术制备的多孔核壳结构硅碳负极材料，多孔碳为碳前驱体燃烧碳化形成，纳米硅嵌入在多孔碳的孔隙中，本发明专利技术制备的负极材料比容量高，循环性能和大倍率性能充放电性能良好，且制备工艺简单，成本低廉，适合产业化。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料的及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池负极材料与电化学领域，具体涉及一种锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料的及其制备方法。
技术介绍
现市面上常规的负极材料是石墨负极，其具有良好的循环性能和安全性能，已经广泛应用于锂离子电池的生产应用中，但石墨负极的理论比容量仅372mAh/g，已无法满足高比容量锂电池的需求。硅具有超高的理论比容量(4200mAh/g)和较低的脱锂电位(<0.5V)，且硅的电压平台略高于石墨，在充电时难引起表面析锂，安全性能更好，现已成为了备受瞩目的下一代大容量电池的负极候选材料。然而，硅在充放电时高达300％的体积膨胀，使其在充放电循环中会造成硅电极的粉化脱落，与集流体失去电接触，最终导致电池失效，表现出极差的循环性能。因此，开发一种工艺简单，性能优异且环境友好的硅碳负极材料是锂离子电池领域的重要研究方向。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术针对现有技术存在的缺陷，主要目的是为了提供一种锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料为多孔核壳结构，内核由纳米硅和多孔碳均相复合形成，外壳是有机裂解碳源形成的碳包覆，该方法的具体步骤为：所述纳米硅的粒径为50～300nm，优选50～100nm；所述多孔碳的孔隙率＞40％；所述碳包覆层的厚度为0.1～10μm，优选5～10μm。优选的，所述多孔核壳结构硅碳负极材料中含有30wt％～60wt％的纳米硅，30wt％～45wt％的低残碳碳源，5wt％～30wt％的碳包覆层。优选的，所述负极材料的中值粒径为10～20μm；所述负极材料的比表面积为3～5m2/g；所述负极材料的粉体压实密度为1.4～1.6g/cm3。本专利技术还涉及上述任一项所述锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)纳米硅浆料的制备：将硅粉原料和分散剂加入到有机溶剂中，混合均匀后，导入高能球磨机中，经惰性气体保护，研磨5～100h，得到纳米硅浆料；(2)多孔碳的制备：将碳前驱体置于马弗炉中，通入适当比例的氮氧混合气体，升温至700～1000℃，控制碳前驱体燃烧程度，得到多孔碳；(3)浆料复合和均相分散：将步骤(2)中所得多孔碳加入到步骤(1)的纳米硅浆料中，超声振荡，再利用高速分散机将复合浆料均相分散；(4)雾化干燥：将步骤(3)中的复合浆料通过喷雾干燥，得到前驱体；(5)碳包覆：将步骤(4)中得到的前驱体与碳源进行均相复合，通入惰性气体保护，高温烧结后，得到多孔核壳结构硅碳负极材料。优先的，步骤(1)中所述的硅粉原料为单晶硅或多晶硅的一种，纯度＞99.9％，中值粒径为10～100nm，优选50～100nm；所述分散剂为焦磷酸钠，聚乙烯吡咯烷酮、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯、聚丙烯酸二羟基苯乙胺中的一种或至少两种的组合；所述有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮、呋喃、酰胺中的一种或至少两种的组合；所述硅粉原料与分散剂的质量比是100：(0.5～10)，优选100：(1～5)；加入溶剂后，混合溶液的固含量是10～40％，优选20～30％；所述高能球磨机为行星式球磨机、管磨机、锥磨机、棒磨机或砂磨机；球磨珠的材质选自不锈钢，玛瑙，陶瓷，氧化锆，氧化铝或硬质合金。优选的，步骤(2)中所述的碳前驱体为蔗糖、淀粉、葡萄糖或褐煤；氮氧混合气体中，氧气体积比是20～80％。优选的，步骤(3)中所述的超声波的频率＞10000Hz，超声时间＞1h；高速分散机的转速＞2000rpm，分散时间＞1h。优选的，步骤(4)中所述的喷雾干燥机的热空气进口温度为160～300℃，出口温度为80～150℃。优选的，步骤(5)中所述的所述碳源物质为沥青、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、脲醛树脂、聚乙烯醇中的一种或至少两种的组合；所述烧结反应器为真空炉、箱式炉、回转炉、辊道窑或管式炉；所述烧结保护气体为氮气、氦气、氩气中的一种或至少两种的组合。本专利技术还涉及一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包含上述任一项所述锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术通过超细研磨，将微米级的硅粉研磨成粒度D50＜100nm的纳米硅，极大的降低的硅在充放电过程中的绝对体积膨胀，同时提升了动力学，使得锂原子迁移速率提升；(2)通过燃烧法将碳前驱体制备成孔隙率可控的多孔碳，为硅的体积膨胀预留了空间，能明显的改善硅负极的体积膨胀问题，同时还能提高纳米硅均相分散性，保证电子和锂离子的传输通道和速率；(3)通过碳包覆，改善其表面的导电性能，并隔离电解液对负极材料的浸蚀，提升复合负极材料的长循环和大倍率性能；(4)所制备的锂离子电池负极材料原料便宜，工艺简单，环境友好无污染，适合大规模生产。附图说明下面结合附图对本专利技术进一步说明。图1为实施例制备的多孔核壳结构硅碳负极材料的结构示意图。1为碳包覆层；2为多孔碳；3为纳米硅。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的描述。所描述的实施例及其结果仅用于说明本专利技术，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本专利技术。为便于理解本专利技术，本专利技术列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本专利技术，不应视为对本专利技术的具体限制。实施例1一种锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：(1)纳米硅浆料的制备：将中值粒径为10μm多晶硅粉500g和聚乙烯吡咯烷酮5g，按照质量比硅粉：聚乙烯吡咯烷酮＝100：1，加入到无水乙醇中，混合溶液固含量是10％，将混合浆料导入砂磨机中，氮气保护下，研磨100h，得到中值粒径是50nm的纳米硅浆料，其中研磨锆球的直径是0.1mm，锆球和硅粉的质量比是10:1；(2)多孔碳的制备：将蔗糖900g置于马弗炉中，通入氮氧混合气体，其中氧气体积占比是80％，升温至700℃，控制蔗糖的燃烧程度，得到孔隙率为70％的多孔碳270g；(3)浆料复合和均相分散：将步骤(2)中所得多孔碳加入到步骤(1)的纳米硅浆料中，开启超声波，超声波的频率为15000Hz，超声时间为4h；再超声后的浆料导入到高速分散机中，控制高速分散机的转速为2200rpm，分散时间2h，得到均相分散的复合浆料；(4)雾化干燥：将步骤(3)中的复合浆料通过喷雾干燥，喷雾干燥机的热空气进口温度为300℃，出口温度为140℃，得到前驱体；(5)碳包覆：将步骤(4)中得到的前驱体与酚醛树脂按质量比＝9：1进行均相复合后，然后置于高温箱式炉中，通入氮气保护，升温至600℃，保温2h后冷却至室温，得到多孔核壳结构硅碳负极材料。实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料为多孔核壳结构，内核由纳米硅和多孔碳均相复合形成，外壳是有机裂解碳源形成的碳包覆，该方法的具体步骤为：/n所述纳米硅的粒径为50～300nm，优选50～100nm；/n所述多孔碳的孔隙率＞40％；/n所述碳包覆层的厚度为0.1～10μm，优选5～10μm。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料为多孔核壳结构，内核由纳米硅和多孔碳均相复合形成，外壳是有机裂解碳源形成的碳包覆，该方法的具体步骤为：
所述纳米硅的粒径为50～300nm，优选50～100nm；
所述多孔碳的孔隙率＞40％；
所述碳包覆层的厚度为0.1～10μm，优选5～10μm。


2.如权利要求1所述的锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料，其特征在于，所述多孔核壳结构硅碳负极材料中含有30wt％～60wt％的纳米硅，30wt％～45wt％的多孔碳，5wt％～30wt％的碳包覆层。


3.如权利要求1所述的锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料，其特征在于，所述负极材料的中值粒径为10～20μm；所述负极材料的比表面积为3～5m2/g；所述负极材料的粉体压实密度为1.4～1.6g/cm3。


4.一种如权利要求1-3任一项所述锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)纳米硅浆料的制备：将硅粉原料和分散剂加入到有机溶剂中，混合均匀后，导入高能球磨机中，经惰性气体保护，研磨5～100h，得到纳米硅浆料；
(2)多孔碳的制备：将碳前驱体置于马弗炉中，通入适当比例的氮氧混合气体，升温至700～1000℃，控制碳前驱体燃烧程度，得到多孔碳；
(3)浆料复合和均相分散：将步骤(2)中所得多孔碳加入到步骤(1)的纳米硅浆料中，超声振荡，再利用高速分散机将复合浆料均相分散；
(4)雾化干燥：将步骤(3)中的复合浆料通过喷雾干燥，得到前驱体；
(5)碳包覆：将步骤(4)中得到的前驱体与碳源进行均相复合，通入惰性气体保护，高温烧结后，得到多孔核壳结构硅碳负极材料。


5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡亮，张少波，俞有康，张志权，
申请(专利权)人：马鞍山科达普锐能源科技有限公司，安徽科达铂锐能源科技有限公司，安徽科达新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34