硅碳负极材料及其制备方法、应用和制得的锂离子电池技术

本发明专利技术公开了一种硅碳负极材料及其制备方法、应用和制得的锂离子电池。该制备方法包括以下步骤：将原料在密炼条件下进行熔融共混得母料，去除所得母料中的成孔剂后，热处理即得硅碳负极材料；原料包括中值粒径为0.5～10μm的氧化亚硅、聚烃烯和成孔剂；成孔剂的添加量为聚烯烃重量的0.2～3倍；硅碳负极材料的碳含量为1～10wt％。本发明专利技术的硅碳负极材料的表面具有多孔状的结构，该材料具有良好的电解液浸润特性，比表面积小。由本发明专利技术的硅碳负极材料制得的锂离子电池不仅具有容量优势，而且具有良好的嵌锂倍率和低温嵌锂性能。本发明专利技术的制备方法的过程简单、聚烯烃原料简单易得，具有显著的成本和量产优势。

【技术实现步骤摘要】
硅碳负极材料及其制备方法、应用和制得的锂离子电池
本专利技术涉及锂离子电池领域，具体涉及一种硅碳负极材料及其制备方法、应用和制得的锂离子电池。
技术介绍
随着新能源汽车的推广，开发具有高容量、快速充电能力的负极材料具有显著的应用价值。现有的石墨类负极材料容量有限(理论362mAh/g)，通过表面包覆改进的倍率性石墨类材料的容量更低(340～350mAh/g)，因此开发高容量、倍率型的硅负极材料是取代现有石墨负极材料的可行途径。中国专利技术专利名称为一种硅碳复合负极材料的制备方法及锂离子电池，公开号106257716A中介绍了将纳米硅、石墨粉进行球磨，然后进入融合机与沥青混和再进行热处理从而获得硅碳材料的方法。该方法需要先获得纳米硅，其成本较高；融合处理过程中无加热，沥青的软化和涂覆完全靠机械力，分散有限；由于此工艺选择先将硅基材料纳米化，后续的分散等较难控制，需要提前引入石墨粉体，所得材料的容量<1000mAh/g。传统工艺中制备负极材料一般都是选择沥青或树脂作为碳源，几乎没有将聚烯烃应用于负极材料的制备中。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是为了克服现有的锂离子电池所用负极材料的嵌锂倍率不高、低温性能差、制备步骤复杂等缺陷，提供了一种硅碳负极材料及其制备方法、应用和制得的锂离子电池。本专利技术所述硅碳负极材料的表面具有多孔状的结构，从而说明了所述材料表面具有适宜的锂离子通道，所述材料具有良好的电解液浸润特性，比表面积小，有利于其循环性能的改善。由本专利技术所述的硅碳负极材料制得的锂离子电池不仅具有容量优势，而且具有良好的嵌锂倍率和低温嵌锂性能。本专利技术所述制备方法的过程简单、聚烯烃原料简单易得，具有显著的成本和量产优势。本专利技术人经过大量实验意外地发现，通过密炼工艺在氧化亚硅颗粒表面裹覆一层聚烯烃薄膜，经过熔融塑化、液相萃取、热处理等处理过程，所得硅碳负极材料的低温性能和倍率性能有所改善，并且所得材料的表面孔径结构也得到了改善。为解决上述技术问题，本专利技术旨在提供一种硅碳负极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将原料在密炼条件下进行熔融共混得母料；(2)去除步骤(1)中所得母料中的成孔剂后，热处理即得硅碳负极材料；所述原料包括中值粒径为0.5～10μm的氧化亚硅、聚烃烯和成孔剂；所述成孔剂的添加量为聚烯烃重量的0.2～3倍；所述硅碳负极材料的碳含量为1～10wt％；所述硅碳负极材料的碳含量为聚烯烃的碳含量与总质量之比，所述总质量为所述氧化亚硅的质量与聚烯烃碳含量之和，所述聚烯烃的碳含量为聚烯烃的质量与聚烯烃的残炭值的乘积。步骤(1)中，所述的密炼可以是在密炼设备中进行，一般在密炼机中进行。在密炼机中，通过在一定温度和压力的密闭状态下，利用密炼机相对回转的转子剪切作用、间隙性地对聚合物材料进行塑炼和混炼，从而达到在氧化亚硅表面获得均匀分散的聚烯烃类薄膜包覆的效果。步骤(1)中，所述熔融共混的操作和条件可为本领域常规，一般是指在可调温度和压力的密闭状态下间隙性地对材料进行塑炼和混炼的过程。所述熔融共混的温度较佳地为100～200℃，更佳地为120～180℃，例如为100℃、120℃或180℃。所述熔融共混的时间较佳地为1～60分钟，更佳地为5～15分钟，例如为5分钟、10分钟、15分钟或20分钟。步骤(2)中，所述成孔剂的去除方法可为本领域常规方法，例如可用萃取剂进行，将成孔剂萃取出来，从而去除成孔剂。所述萃取剂可为本领域常规，例如可以为二氯甲烷和/或三氯乙烯。利用萃取系统将成孔剂从母料中萃取出来，进而在氧化亚硅表面获得相互贯通的亚微米尺寸微孔，有利于后续热处理过程中挥发分排除过程中微孔结构的稳定。步骤(2)中，所述热处理的操作和条件可为本领域常规，例如可以是将去除了成孔剂的母料在流动的惰性气氛保护下进行加热、分解。通过热处理使母料中的聚烯烃热解，获得具有稳定表面结构的目标负极材料。其中，所述惰性气体可为本领域常规，主要起限定流量的作用，例如为氮气气氛和/或稀有气体的气氛，所述稀有气体优选氩气。所述惰性气氛的流量可为本领域常规。其中，所述加热的操作和条件可为本领域常规，所述加热的速率较佳地为3～8℃/min，例如5℃/min。所述分解的温度即为所述热处理的温度。所述分解的时间即为所述热处理的时间。所述热处理的温度较佳地为600～1000℃，如450℃、600℃或800℃。所述热处理的时间较佳地为2～12小时，例如1小时、2小时、3小时或10小时。步骤(2)中，所述热处理后，较佳地还包括过筛的步骤，所述过筛一般是为了去除较大颗粒。所述过筛时所用筛网的目数优选250～500目，更优选300目。本专利技术中，所述氧化亚硅的中值粒径较佳地为3～10μm，例如为4μm。本专利技术中，所述氧化亚硅较佳地为经破碎得到，所述粉碎的方式优选为球磨粉碎和/或气流粉碎。本专利技术中，所述氧化亚硅的纯度一般大于99.9％。步骤(1)中，所述氧化亚硅可为本领域常规的氧化亚硅，例如具有无定形结构的氧化亚硅。本专利技术中，所述聚烯烃可为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚丙烯酰胺和聚乙烯亚胺等中的一种或多种。所述聚乙烯的数均分子量可为本领域常规，较佳地为3000～50000。所述聚丙烯的数均分子量可为本领域常规，较佳地为2000～50000。所述聚丁烯的数均分子量可为本领域常规，较佳地为500～10000。本专利技术中，所述聚烯烃的残炭值的检测方法可为本领域常规，一般通过原油残炭测试方法康式法，GB/T268；或石油产品残炭测试方法兰式法，SH/T0160-92进行检测。本专利技术中，所述成孔剂的种类可为本领域常规的烃类成孔剂，较佳地为石蜡油、C6～C35烷烃等中的一种或多种。本专利技术可以通过所述成孔剂的种类来调控最终材料表面的孔径分布。本专利技术中，实验发现，如果所述成孔剂的添加量大于聚烯烃重量的3倍，会导致后续热处理孔道坍塌；如果所述成孔剂的添加量小于聚烯烃重量的0.2倍，会导致成孔量不够。较佳地，所述成孔剂的添加量是聚烯烃重量的0.5～1倍，优选0.5、0.75或1倍。本专利技术中，所述硅碳负极材料的碳含量值较佳地为2～5wt％，例如为2wt％、3wt％或5wt％。本专利技术中，所述氧化亚硅、聚烯烃等原料的用量可以根据所述硅碳负极材料的碳含量而进行设计，例如：所述硅碳负极材料的碳含量为x，聚烯烃自身的残炭值为y，氧化亚硅重量为a，则聚烯烃的使用量为：ax/{(1-x)·y}(公式1)。在本专利技术的某一较佳实施例中，要得到所述硅碳负极材料的残炭值为4.5，所述聚烯烃的残炭值为18.8wt％，最终所用的氧化亚硅：聚烯烃：成孔剂的质量百分比为8：2：1.5。为解决上述技术问题，本专利技术旨在提供一种根据上述制备方法所制得的硅碳负极材料。本专利技术中，所述硅碳负极材料的孔径较佳地为0.001μm～0.5μm，更佳地为0.001μm～0.1μm。为解决上述技术问题，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n(1)将原料在密炼条件下进行熔融共混得母料；/n(2)去除步骤(1)中所得母料中的成孔剂后，热处理即得硅碳负极材料；/n所述原料包括中值粒径为0.5～10μm的氧化亚硅、聚烃烯和成孔剂；所述成孔剂的添加量为聚烯烃重量的0.2～3倍；/n所述硅碳负极材料的碳含量为1～10wt％；所述硅碳负极材料的碳含量为所述聚烯烃的碳含量与总质量之比，所述总质量为所述氧化亚硅的质量与所述聚烯烃的碳含量之和，所述聚烯烃的碳含量为所述聚烯烃的质量与所述聚烯烃的残炭值的乘积。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将原料在密炼条件下进行熔融共混得母料；
(2)去除步骤(1)中所得母料中的成孔剂后，热处理即得硅碳负极材料；
所述原料包括中值粒径为0.5～10μm的氧化亚硅、聚烃烯和成孔剂；所述成孔剂的添加量为聚烯烃重量的0.2～3倍；
所述硅碳负极材料的碳含量为1～10wt％；所述硅碳负极材料的碳含量为所述聚烯烃的碳含量与总质量之比，所述总质量为所述氧化亚硅的质量与所述聚烯烃的碳含量之和，所述聚烯烃的碳含量为所述聚烯烃的质量与所述聚烯烃的残炭值的乘积。


2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中：
所述密炼在密炼设备中进行，所述密炼设备优选密炼机；
和/或，所述熔融共混的温度为100～200℃，优选120～180℃，更优选120℃或180℃；
和/或，所述熔融共混的时间为1～60分钟，优选5～15分钟，更优选5分钟或15分钟。


3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中：
所述成孔剂通过使用萃取剂去除，所述萃取剂优选二氯甲烷和/或三氯乙烯；
和/或，所述热处理是将去除了成孔剂的母料在流动的惰性气氛保护下进行加热、分解；所述热处理的温度优选600～1000℃，更优选800℃；所述热处理的时间优选2～12小时，更优选2小时；所述惰性气氛优选氮气气氛和/或稀有气体的气氛，所述稀有气体优选氩气；所述加热的速率优选3～8℃/min，更优选5℃/min；
和/或，所述热处理后还包括过筛的步骤；所述过筛时所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马飞，刘海宁，沈龙，丁晓阳，
申请(专利权)人：上海杉杉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31