碳包覆硅基钛铌复合材料、其制备方法及锂离子电池技术

本发明专利技术提供了一种碳包覆硅基钛铌复合材料、其制备方法及锂离子电池。该制备方法包括：以钛源和铌源为原料进行第一煅烧过程，得到第一煅烧产物，第一煅烧过程的温度为800～1200℃；将硅源、第一煅烧产物及碳源进行第二煅烧过程，得到碳包覆硅基钛铌复合材料，第一煅烧过程的温度为500～1000℃；其中，钛源选自锐钛型二氧化钛、锐钛型二氧化钛水合物硅粉和氧化亚硅中的一种或多种，铌源为五氧化二铌，硅源为硅粉或氧化亚硅，碳源为碳氢化合物。采用上述方法制得的碳包覆硅基钛铌复合材料在充放电过程中具有较小的体积效应，较高的循环性能，同时上述制备方法还具有工艺简单、无污染、可重复性高及可规模性生产等优点。

Carbon coated silicon-based titanium niobium composite, its preparation method and lithium-ion battery

【技术实现步骤摘要】
碳包覆硅基钛铌复合材料、其制备方法及锂离子电池
本专利技术涉及锂离子电池制备领域，具体而言，涉及一种碳包覆硅基钛铌复合材料、其制备方法及锂离子电池。
技术介绍
硅是目前已知比容量最高(4200mAh/g)的锂离子电池负极材料。与传统的石墨负极材料相比，硅的重量比容量极高，是天然石墨的十多倍；相比于金属锂，由于硅在合金材料中的堆积密度与锂相近，因此硅还具有很高的体积比容量；同碳材料相比，硅有更高的脱嵌锂电位，有效避免了大倍率充放电过程中锂的析出，从而提高了电池的安全性。基于以上优点，硅材料被认为是最具有应用潜力的新一代高能量锂离子电池负极材料。由于硅在充放电过程中表现出剧烈的体积效应(＞300％)，硅电极材料会出现粉化而从集流体上剥落，使活性物质与活性物质、活性物质与集流体之间失去电接触，同时不断形成新的固相电解质层(SEI)，最终会导致电化学性能的恶化，这是硅材料成为商品化负极材料的最大障碍。鉴于上述问题的存在，有必要需要提供一种提高锂离子电池中硅材料在充放电过程中稳定性的方法。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种碳包覆硅基钛铌复合材料、其制备方法及锂离子电池，以解决锂离子电池中硅材料在充放电过程中稳定性较差的问题。为了实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种碳包覆硅基钛铌复合材料的制备方法，该制备方法包括：以钛源和铌源为原料进行第一煅烧过程，得到第一煅烧产物，第一煅烧过程的温度为800～1200℃；将硅源、第一煅烧产物及碳源进行第二煅烧过程，得到碳包覆硅基钛铌复合材料，第二煅烧过程的温度为500～1000℃；其中，钛源选自锐钛型二氧化钛、锐钛型二氧化钛水合物硅粉和氧化亚硅中的一种或多种，铌源为五氧化二铌，硅源为硅粉或氧化亚硅，碳源为碳氢化合物。进一步地，第一煅烧过程中，钛源中钛元素和铌源中铌元素的摩尔数之比为1:(0.5～6)，优选为1:(1～5)。进一步地，在进行第一煅烧过程之前，该制备方法还包括：在惰性气氛下，将原料与第一溶剂混合后进行第一湿法研磨，得到第一浆料；将第一浆料进行第一干燥后，再进行第一煅烧过程，得到第一煅烧产物；优选地，第一湿法研磨过程中，第一浆料的固含量为10～30％，第一浆料中的固体颗粒物的粒度D50≤0.8μm，研磨电量为5～15kwh/kg。进一步地，第一干燥过程采用的干燥装置选自烘箱烘干或喷雾干燥，优选地，干燥过程在喷雾干燥装置中进行，且喷雾干燥装置的进口温度为200～300℃，出口温度为60～150℃，气流量为4.8～8.8mL/min。进一步地，第一煅烧过程的温度为900～1100℃，煅烧时间为4～16h。进一步地，碳源选自葡萄糖、蔗糖、柠檬酸和酚醛树脂中的一种或多种。进一步地，该制备方法还包括：将硅源与第二溶剂进行第二湿法研磨，得到第二浆料；将第二浆料、第一煅烧产物及碳源的混合物依次进行球磨及第二干燥过程后，进行第二煅烧过程，得到碳包覆硅基钛铌复合材料；优选地，第二溶剂选自乙醇、乙二醇、异丙醇和甲醇中的一种或多种；优选地，第二湿法研磨过程中，第二浆料的固含量为10～30％，第二浆料中固体颗粒物粒径D50≤0.5μm，研磨电量为5～15kwh/kg；优选地，球磨过程中，以占第一煅烧产物的重量百分含量计，碳元素包覆量为3～10％，硅元素的掺入量为30～80％。进一步地，第二煅烧过程的温度为600～800℃，煅烧时间为2～10h。进一步地，制备方法还包括：对第二煅烧过程的产物进行筛分处理，得到碳包覆硅基钛铌复合材料；优选地，筛分处理过程采用200～300目的筛网。本申请的另一方面还提供了一种碳包覆硅基钛铌复合材料，碳包覆硅基钛铌复合材料采用上述制备方法制得。本申请的又一方面还提供了一种锂离子电池，包括涂覆有负极材料的负极片，负极材料包括上述碳包覆硅基钛铌复合材料。应用本专利技术的技术方案，以钛源和铌源为原料进行第一煅烧过程能够制得钛铌氧化物(第一煅烧产物)。由于硅与氧具有良好的亲和性，在钛铌氧化物与硅源和碳源进行第二煅烧过程中，硅与金属氧化物钛铌氧化物进行复合，以硅为增强体，钛铌氧化物为基体，在硅颗粒周围构建起应力缓冲层和离子交换层，这能够缓冲硅在充放电过程中的体积效应，改善硅颗粒的电接触，提升材料的循环稳定性。对硅基钛铌氧化物复合材料进行碳包覆，有利于提升硅材料的循环性能。此外上述制备方法工艺简单、无污染、可重复性高且可规模性生产。在此基础上，采用上述方法制得的碳包覆硅基钛铌复合材料在充放电过程中具有较小的体积效应，较高的循环性能，同时上述制备方法还具有工艺简单、无污染、可重复性高及可规模性生产等优点。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1示出了本专利技术实施例1制得的碳包覆硅基钛铌复合材料的XRD图谱；图2示出了本专利技术实施例1制得的碳包覆硅基钛铌复合材料的SEM图谱；图3示出了本专利技术实施例1制得的碳包覆硅基钛铌复合材料的首次充放电曲线图；图4示出了本专利技术实施例1制得的碳包覆硅基钛铌复合材料的50次循环后的充放电曲线图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本专利技术。正如
技术介绍
所描述的，现有的锂离子电池中硅材料在充放电过程中稳定性较差的问题。为了解决上述技术问题，本申请提供了一种碳包覆硅基钛铌复合材料的制备方法，该制备方法包括：以钛源和铌源为原料进行第一煅烧过程，得到第一煅烧产物，第一煅烧过程的温度为800～1200℃；将硅源、第一煅烧产物及碳源进行第二煅烧过程，得到碳包覆硅基钛铌复合材料，第二煅烧过程的温度为500～1000℃；其中，钛源选自锐钛型二氧化钛、锐钛型二氧化钛水合物硅粉和氧化亚硅中的一种或多种，铌源为五氧化二铌，硅源为硅粉或氧化亚硅，碳源为碳氢化合物。以钛源和铌源为原料进行第一煅烧过程能够制得钛铌氧化物(第一煅烧产物)。由于硅与氧具有良好的亲和性，在钛铌氧化物与硅源和碳源进行第二煅烧过程中，硅与金属氧化物钛铌氧化物进行复合，以硅为增强体，钛铌氧化物为基体，在硅颗粒周围构建起应力缓冲层和离子交换层，这能够缓冲硅在充放电过程中的体积效应，改善硅颗粒的电接触，提升材料的循环稳定性。对硅基钛铌氧化物复合材料进行碳包覆，有利于提升硅材料的循环性能。此外上述制备方法工艺简单、无污染、可重复性高且可规模性生产。在此基础上，采用上述方法制得的碳包覆硅基钛铌复合材料在充放电过程中具有较小的体积效应，较高的循环性能，同时上述制备方法还具有工艺简单、无污染、可重复性高及可规模性生产等优点。相比于硅碳复合材料，硅与钛铌氧化物结合具有区别于硅材料的较高的脱嵌锂电位，其电压平台出现在1.5～2V之间，而硅的电压平台则在0.6V下，因此，当复合材料在0～1.5V的电压窗口下进行电化学脱嵌锂反应时，复合材料中只有容量较高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳包覆硅基钛铌复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：/n以钛源和铌源为原料进行第一煅烧过程，得到第一煅烧产物，所述第一煅烧过程的温度为800～1200℃；/n将硅源、所述第一煅烧产物及碳源进行第二煅烧过程，得到所述碳包覆硅基钛铌复合材料，所述第二煅烧过程的温度为500～1000℃；/n其中，所述钛源选自锐钛型二氧化钛、锐钛型二氧化钛水合物硅粉和氧化亚硅中的一种或多种，所述铌源为五氧化二铌，所述硅源为硅粉或氧化亚硅，所述碳源为碳氢化合物。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆硅基钛铌复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
以钛源和铌源为原料进行第一煅烧过程，得到第一煅烧产物，所述第一煅烧过程的温度为800～1200℃；
将硅源、所述第一煅烧产物及碳源进行第二煅烧过程，得到所述碳包覆硅基钛铌复合材料，所述第二煅烧过程的温度为500～1000℃；
其中，所述钛源选自锐钛型二氧化钛、锐钛型二氧化钛水合物硅粉和氧化亚硅中的一种或多种，所述铌源为五氧化二铌，所述硅源为硅粉或氧化亚硅，所述碳源为碳氢化合物。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一煅烧过程中，所述钛源中钛元素和所述铌源中铌元素的摩尔数之比为1:(0.5～6)，优选为1:(1～5)。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在进行所述第一煅烧过程之前，所述制备方法还包括：
在惰性气氛下，将所述原料与第一溶剂混合后进行第一湿法研磨，得到第一浆料；
将所述第一浆料进行第一干燥后，再进行所述第一煅烧过程，得到所述第一煅烧产物；
优选地，所述第一湿法研磨过程中，所述第一浆料的固含量为10～30％，所述第一浆料中的固体颗粒物的粒度D50≤0.8μm，研磨电量为5～15kwh/kg。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一干燥过程采用的干燥装置选自烘箱烘干或喷雾干燥，优选地，所述干燥过程在喷雾干燥装置中进行，且所述喷雾干燥装置的进口温度为200～300℃，出口温度为60～150℃，气流量为4.8～8.8mL/min。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一煅烧过程...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜孟衣，赵晓磊，雷磊，高学华，李盼，高学博，成信刚，
申请(专利权)人：北方奥钛纳米技术有限公司，银隆新能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13