一种磁性包覆球磨生产锂电池硅碳负极活性材料的方法技术

本发明专利技术涉及锂电池负极领域，公开了一种磁性包覆球磨生产锂电池硅碳负极活性材料的方法。包括如下制备过程：（1）将硅粉、铁粉混合球磨，真空退火，得到粉末A；（2）利用阴离子表面活性剂改性多孔碳粉，然后与铁氧体前驱体、去离子水、无水乙醇混合配制悬浊液，超声震荡，过滤收集滤渣进行真空烧结，磁化，得到粉末B；（3）将粉末A、粉末B、PTFE乳液加入去离子水中配制悬浊液，超声分散后静置沉降，将沉降物造粒、退火处理、研磨、筛分，即得锂电池硅碳负极活性材料。本发明专利技术通过磁性材料对金属吸附能力，有效提高了硅粉和碳粉的均匀性和复合能力，得到的硅碳负极材料具有优异的循环性能，同时制备工艺简单，具有大规模生产潜力。具有大规模生产潜力。具有大规模生产潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种磁性包覆球磨生产锂电池硅碳负极活性材料的方法


[0001]本专利技术涉及锂电池负极领域，公开了一种磁性包覆球磨生产锂电池硅碳负极活性材料的方法。

技术介绍

[0002]近年来新能源发电领域的快速发展对与之匹配的储能系统提出了新的要求。而在储能电池的更新换代中，锂离子电池由于其自身所具备的各种优点，已成为重点研究领域，并在大量的储能项目中获得了实际应用，取得了一定的成效。锂离子电池的容量决定于正极材料的活性锂离子以及负极材料的可嵌脱锂能力，正负极在各种环境下的稳定性决定了电池的性能发挥，甚至严重影响电池的安全性，因此，电极的性能在一定程度上决定了锂离子电池的综合性能。
[0003]锂离子电池作为现有新能源汽车的主要动力来源之一，经过几十年来的发展，已经逐渐实现商业化，但续航里程和充电时间仍然是电动汽车的短板。为了提高续航里程，电池的正极材料由磷酸铁锂过渡到NCM三元体系，然而传统的石墨负极容量已经难以匹配高容量的正极材料，因此硅碳负极应运而生。硅碳负极材料因其低嵌锂电位、低原子质量、高能量密度和在Li-Si合金中的高Li摩尔分数，被认为是碳负极材料的替代性产品。
[0004]硅基负极材料虽然具有优异的性能和良好的而应用前景，但循环性能和稳定性方面尚有欠缺，主要是因为实际应用的脱/嵌锂过程中，存在着较大的体积膨胀效应，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。现有技术中，可以利用碳包覆等改性技术解决上述问题，商业化的硅碳负极容量普遍在400~450mAh/g，循环次数为200~500次，基本可以达到现有负极性能需求。
[0005]中国专利技术专利申请号201910511082.9公开了一种硅碳复合粉体材料的制备方法，其包括以下步骤：将硅粉、石墨粉混合均匀后加入球磨机中，将球磨机的研磨仓体抽真空并通入惰性气体，再向球磨机冷却套中通入循环冷却水，设定球磨工艺参数进行球磨，球磨结束得到硅碳复合粉体材料；其中，所述硅粉与石墨粉的质量比为1:1~1:9。
[0006]中国专利技术专利申请号201810743893.7公开了一种高容量硅碳负极材料、制备方法及应用，制备方法包括以下步骤：将硅源、石墨粉和球磨介质混合，进行湿法球磨处理，抽滤，烘干，得到一种高容量硅碳负极材料。此专利技术先将硅粉、石墨和乙醇混合，再利用湿法球磨的方法，进行两次球磨即得到高容量硅碳负极材料。
[0007]根据上述，现有方案中用于锂电池的硅基负极材料存在循环性能和稳定性较差的缺陷，而利用碳包覆改性得到的硅碳负极具有较佳的性能，但目前的硅碳负极生产方案大多较为复杂，通常需要高能球磨和高温碳化工艺，而且硅碳复合的效果较差，本专利技术提出了一种磁性包覆球磨生产锂电池硅碳负极活性材料的方法，可有效解决上述技术问题。

技术实现思路

[0008]目前应用较广的锂电池硅碳负极材料的制备工艺通常需要高能球磨和高温碳化等工艺，制备过程较为复杂，而且硅碳复合效果差，影响了硅碳负极材料的性能和发展应用。
[0009]本专利技术通过以下技术方案解决上述问题：一种磁性包覆球磨生产锂电池硅碳负极活性材料的方法，生产的具体过程为：（1）先将硅粉、铁粉混合均匀，然后加入球磨助剂并置于保护气氛为氮气的球磨机中，以转速为40~120r/min、球料比为2-3:1球磨1~6h，再将球磨后的浆料置于真空炉中进行真空退火，收集产物，得到粉末A；（2）先将多孔碳粉置于过量的阴离子表面活性剂中以频率为30~40kHz、功率为200~350W的超声波处理30~40min，得到改性多孔碳粉，然后将得到的改性多孔碳粉与铁氧体前驱体、去离子水、无水乙醇混合均匀配制为悬浊液，再将悬浊液置于超声震荡仪中以频率为20~40kHz、功率为180~540W分散30~60min，过滤收集滤渣置于真空炉中进行烧结，得到负载铁氧体的多孔碳，最后将负载铁氧体的多孔碳置于定向磁场下进行磁化，收集产物，得到粉末B；（3）先将步骤（1）中得到的粉末A与步骤（2）中得到的粉末B加入去离子水中混合配制为悬浊液，然后向悬浊液中加入少量PTFE乳液，以频率为30~50kHz、功率为200~500W的超声波分散60~120min，再静置待自然沉降，离心分离收集底部的沉降物并进行造粒，最后将造粒获得的颗粒退火处理，经研磨、筛分，即得锂电池硅碳负极活性材料。
[0010]本专利技术首先以硅粉、铁粉为原料，以分散剂、粘接剂、溶剂组成的混合物为球磨助剂，在保护气氛下进行球磨，控制球磨的转速和球料比等参数，然后将球磨浆料真空退火，硅粉通过粘接剂附着在铁粉表面，利用简单工艺制得硅铁复合材料。
[0011]作为本专利技术的优选，步骤（1）所述硅粉的平均粒度为50~200nm。
[0012]作为本专利技术的优选，步骤（1）所述铁粉的平均粒度为100~500nm。
[0013]作为本专利技术的优选，步骤（1）所述球磨助剂包括分散剂、粘接剂、溶剂，各原料配比为，按重量份计，分散剂15~20重量份、粘接剂3~10重量份、溶剂100~200重量份。
[0014]作为本专利技术的进一步优选，所述分散剂为NMP、PVP、六偏磷酸钠中的一种，所述粘接剂为SBR、PVDF、硬脂酸中的一种，所述溶剂为无水乙醇、NMP、去离子水中的至少一种。
[0015]作为本专利技术的优选，步骤（1）所述真空退火的温度为100~150℃，时间为30~40min。
[0016]作为本专利技术的优选，步骤（1）所述各原料配比为，按重量份计，硅粉5~50重量份、铁粉10~50重量份、球磨助剂100~300重量份。
[0017]本专利技术利用阴离子表面活性剂改性多孔碳粉，改变了多孔碳粉表面的界面性，然后与磁性材料铁氧体前驱体混合，改性后的多孔碳粉与磁性材料具有良好的界面结合性，再利用超声振荡，使得负载铁氧体的多孔碳粉，之后进行过滤、烧结，使磁性材料进一步牢固负载到多孔碳粉，最后磁化处理，得到磁性碳材料。
[0018]作为本专利技术的优选，步骤（2）所述多孔碳粉的平均粒度为1~3μm，孔隙率为30~70%。
[0019]作为本专利技术的优选，步骤（2）所述阴离子表面活性剂为磺酸盐、硫酸酯盐中的一种。
[0020]作为本专利技术的优选，步骤（2）所述铁氧体前驱体为硝酸铁与硝酸铜、硝酸锌、硝酸
镍、硝酸钴中至少一种组成的混合物，平均粒度为0.1~1μm。
[0021]作为本专利技术的优选，步骤（2）所述烧结的温度为900~950℃，烧结时间为1~2h，烧结气氛为氮气。
[0022]作为本专利技术的优选，步骤（2）所述定向磁场的磁场强度为0.3~0.4T。
[0023]作为本专利技术的优选，步骤（2）所述各原料配比为，按重量份计，改性多孔碳粉50~95重量份、铁氧体前驱体10~50重量份、去离子水80~180重量份、无水乙醇90~160重量份。
[0024]本专利技术将硅铁复合材料和磁性碳材料加入去离子水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性包覆球磨生产锂电池硅碳负极活性材料的方法，其特征在于，生产的具体过程为：（1）先将硅粉、铁粉混合均匀，然后加入球磨助剂并置于保护气氛为氮气的球磨机中，以转速为40~120r/min、球料比为2-3:1球磨1~6h，再将球磨后的浆料置于真空炉中进行真空退火，收集产物，得到粉末A；各原料配比为，按重量份计，硅粉5~50重量份、铁粉10~50重量份、球磨助剂100~300重量份；（2）先将多孔碳粉置于过量的阴离子表面活性剂中以频率为30~40kHz、功率为200~350W的超声波处理30~40min，得到改性多孔碳粉，然后将得到的改性多孔碳粉与铁氧体前驱体、去离子水、无水乙醇混合均匀配制为悬浊液，再将悬浊液置于超声震荡仪中以频率为20~40kHz、功率为180~540W分散30~60min，过滤收集滤渣置于真空炉中进行烧结，得到负载铁氧体的多孔碳，最后将负载铁氧体的多孔碳置于定向磁场下进行磁化，收集产物，得到粉末B；各原料配比为，按重量份计，改性多孔碳粉50~95重量份、铁氧体前驱体10~50重量份、去离子水80~180重量份、无水乙醇90~160重量份；（3）先将步骤（1）中得到的粉末A与步骤（2）中得到的粉末B加入去离子水中混合配制为悬浊液，然后向悬浊液中加入少量PTFE乳液，以频率为30~50kHz、功率为200~500W的超声波分散60~120min，再静置待自然沉降，离心分离收集底部的沉降物并进行造粒，最后将造粒获得的颗粒退火处理，经研磨、筛分，即得锂电池硅碳负极活性材料；各原料配比为，按重量份计，粉末A 5~50重量份、粉末B 50~95重量份、去离子水100~300重量份、PTFE乳液1~10重量份。2.根据权利要求1所述一种磁性包覆球磨生产锂电池硅碳负极活性材料的方法，其特征在于：步骤（1）所述硅粉的平均粒度为50~200nm；所述铁粉的平均粒度为100~500nm。...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈庆，廖健淞，白涛，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：