一种连续低温制备锂电池硅碳负极材料的方法技术

本发明专利技术涉及负极材料技术领域，特别是涉及一种连续低温制备锂电池硅碳负极材料的方法，包括：将硅粉、碳粉、粘结剂、分散剂和助剂A混合均匀后加入球磨机中球磨形成浆料；将浆料加入螺旋挤出机中，并依次加入助剂B（液体石蜡和/或硬脂酸）和助剂C（聚四氟乙烯乳液和/或硅烷偶联剂），再将挤出的粉体干燥，即得高容量硅碳负极材料。本发明专利技术解决现有技术中硅基负极非碳化工艺包覆效果较差的问题。上述制备方法通过简单的球磨、挤出复合、低温干燥工艺使碳对硅实现有效的包覆，摆脱了传统工艺中的高温碳化环节，获得的负极材料具有良好的容量和循环效率，其制备工艺简单可控，具有大规模工业化生产潜力。产潜力。产潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种连续低温制备锂电池硅碳负极材料的方法


[0001]本专利技术涉及负极材料
，特别是涉及一种连续低温制备锂电池硅碳负极材料的方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为一种新型的高能电池，已广泛应用于人们的日常生活中。负极材料作为锂电的主要组成部分，其性能的好坏直接影响锂电的性能。目前石墨作为使用最为广泛的碳基锂电负极材料，其最高理论比容量仅为372mAh
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，实际比容量更低，循环稳定性难以有效提高。
[0003]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 mAh
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），提升的空间已经十分有限。硅作为锂离子电池负极材料具有最高的理论比容量（4200 mAh
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），大约是石墨类负极材料的10倍。硅基负极材料因具有高的理论容量（4200 mAh
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）和较合适的脱-嵌锂电位（<0.5V），成为最有希望的高容量负极材料。但是，硅材料在脱/嵌锂过程中，存在着较大的体积膨胀（体积膨胀100%~300%）。这种结构上的膨胀收缩变化破坏了电极结构的稳定性，导致硅颗粒破裂粉化，造成电极材料结构的坍塌和剥落，使电极材料失去电接触，最终导致负极的比容量迅速衰减，使锂电池循环性能变差。
[0004]针对硅材料在脱/嵌锂过程中存在着较大的体积膨胀的问题，现有的解决方案主要有两种，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，一般技术采用的是几十纳米的硅粉。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。
[0005]为了缓解其脱嵌锂过程中的体积变化和改善导电性，常用的方法是减小颗粒尺寸和引入碳相。通过球磨法减小粒径，这样不仅可以缓解体积膨胀，还能缩短锂离子的扩散距离，从而改善材料的循环性能和倍率性能。碳包覆可以有效提高抗膨胀性能和导电性。然而目前的合成工艺大多为使用高温烧结碳化，对于控制生产成本极为不利。
[0006]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 mAh
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以上。虽然得到了硅碳复合材料，但制备工艺复杂、设备要求较高，制备过程中需进行烧结工艺，对于控制生产成本极为不利。
[0007]专利CN108899522A提出了一种高容量硅碳负极材料、制备方法及应用，通过石墨与硅粉混合球磨获得硅碳负极材料，然而这种材料的复合性能不佳，难以在获得较高比容量的同时保证其循环性能。
[0008]专利CN110148738A提出了一种硅碳复合粉体材料的制备方法，通过高转速真空球磨使硅碳复合，但这种工艺对于设备要求较高，而且球磨粉料极易团聚，其循环性能难以有
效保证。因此，针对硅碳负极的球磨工艺的改善具有十分重要的实际意义。

技术实现思路

[0009]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种连续低温制备锂电池硅碳负极材料的方法，用于解决现有技术中硅基负极非碳化工艺包覆效果较差的问题，同时，本专利技术还将提供一种锂离子电池。上述制备方法通过简单的球磨、挤出复合、低温干燥工艺使碳对硅实现有效的包覆，摆脱了传统工艺中的高温碳化环节，获得的负极材料具有良好的容量和循环效率，其制备工艺简单可控，具有大规模工业化生产潜力。
[0010]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术的第一方面，提供一种连续低温制备锂电池硅碳负极材料的方法，包括如下步骤：步骤一、将硅粉、碳粉、粘结剂、分散剂和助剂A混合均匀后加入球磨机中球磨，得到浆料待用；步骤二、将步骤一中的浆料从第一进料口加入螺杆挤出机中并依次经过第二进料口和第三进料口的出料端，得到粉体待用；其中，第二进料口加入助剂B、第三进料口加入助剂C，所述助剂B为液体石蜡和/或硬脂酸，所述助剂C为聚四氟乙烯乳液和/或硅烷偶联剂；步骤三、将步骤二中的粉体置于真空干燥箱中干燥，即得高容量硅碳负极材料。
[0011]上述制备方法在球磨过程中，通过粘结剂使硅粉与碳粉复合。复合后的浆料加入螺杆挤出机，在剪切力作用下通过石蜡和/或硬脂酸对碳粉表面进行活化，之后通过聚四氟乙烯和/或硅烷偶联剂使碳粉之间贴合，形成宏观团聚态并将纳米硅粉包覆在团聚体内部。通过真空干燥箱使加入的助剂C固化，提高团聚体的复合效果。在循环过程中，不会出现粉化、脱落等现象。
[0012]上述高容量硅碳负极材料在制备过程中，石蜡和/或硬脂酸可以对碳粉表面进行活化，聚四氟乙烯和/或硅烷偶联剂使碳粉之间贴合，由此先加入助剂B（石蜡和/或硬脂酸）对碳粉进行活化从而形成硅碳复合材料，活化后再加入助剂C（聚四氟乙烯和/或硅烷偶联剂）使得碳粉之间贴合从而形成团聚体，使得高容量硅碳负极材料在循环过程中不会出现粉化、脱落等现象。
[0013]上述制备方法通过简单的球磨、挤出复合、低温干燥工艺使碳对硅实现有效的包覆，摆脱了传统工艺中的高温碳化环节，获得的负极材料具有良好的容量和循环效率，其制备工艺简单可控，具有大规模工业化生产潜力。
[0014]于本专利技术的一实施例中，所述硅粉、碳粉、粘结剂、分散剂、助剂A、助剂B、助剂C的重量份数依次为10~20份、100~150份、3~5份、3~5份、200~300份、8~15份、8~20份。
[0015]于本专利技术的一实施例中，所述硅粉、碳粉、粘结剂、分散剂、助剂A、助剂B、助剂C的重量份数依次为12~16份、120~140份、3~5份、3~5份、240~270份、8~12份、12~18份。
[0016]于本专利技术的一实施例中，所述硅粉的D50=80nm，所述碳粉的D50=0.2μm；所述碳粉为鳞片石墨；所述粘结剂为聚偏氟乙烯乳液、丁苯橡胶乳液中的至少一种；所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；所述助剂A为挥发性有机溶剂；
所述助剂B为液体石蜡和硬脂酸；所述助剂C为聚四氟乙烯乳液和硅烷偶联剂。
[0017]D代表粉体颗粒的直径，D50表示累计50%点的直径（或称50%通过粒径）。
[0018]上述制备方法在球磨过程中，通过粘结剂使硅粉与碳粉复合。复合后的浆料加入螺杆挤出机，在剪切力作用下通过石蜡和硬脂酸对碳粉表面进行活化，之后通过聚四氟乙烯和硅烷偶联剂使碳粉之间贴合，形成宏观团聚态并将纳米硅粉包覆在团聚体内部，在微观下。通过真空干燥箱使加入的助剂C固化，提高团聚体的复合效果。
[0019]挥发性有机溶剂便于后期处理，使最终的高容量硅碳负极材料中不含有溶剂，避免其影响高容量硅碳负极材料的循环性能。
[0020]液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续低温制备锂电池硅碳负极材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将硅粉、碳粉、粘结剂、分散剂和助剂A混合均匀后加入球磨机中球磨，得到浆料待用；步骤二、将步骤一中的浆料从第一进料口加入螺杆挤出机中并依次经过第二进料口和第三进料口的出料端，得到粉体待用；其中，第二进料口加入助剂B、第三进料口加入助剂C，所述助剂B为液体石蜡和/或硬脂酸，所述助剂C为聚四氟乙烯乳液和/或硅烷偶联剂；步骤三、将步骤二中的粉体置于真空干燥箱中干燥，即得高容量硅碳负极材料。2.根据权利要求1所述的一种连续低温制备锂电池硅碳负极材料的方法，其特征在于：所述硅粉、碳粉、粘结剂、分散剂、助剂A、助剂B、助剂C的重量份数依次为10~20份、100~150份、3~5份、3~5份、200~300份、8~15份、8~20份。3.根据权利要求2所述的一种连续低温制备锂电池硅碳负极材料的方法，其特征在于：所述硅粉、碳粉、粘结剂、分散剂、助剂A、助剂B、助剂C的重量份数依次为12~16份、120~140份、3~5份、3~5份、240~270份、8~12份、12~18份。4.根据权利要求1~3任一项所述的一种连续低温制备锂电池硅碳负极材料的方法，其特征在于：所述硅粉的D50=80nm，所述碳粉的D50=0.2μm；所述碳粉为鳞片石墨；所述粘结剂为聚偏氟乙烯乳液、丁苯橡胶乳液中的至少一种；所述分散剂为N-甲基吡咯烷酮、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；所述助剂A为挥发性有机溶剂；所述助剂B为液...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，廖健淞，司文彬，李钧，
申请(专利权)人：成都新柯力化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：