一种硅碳负极复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种硅碳负极复合材料的制备方法及应用，属于合金技术领域。本发明专利技术的一种硅碳负极复合材料的制备方法,包括以下步骤：硅粉及石墨前处理—制备混料—球磨混料—烧结制备硅碳负极材料。本发明专利技术的有益效果：整个制备过程中无酸碱加入，选用的材料为普通硅粉/碳粉，造价低，制备手段简单，环保，且性能好。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳负极复合材料的制备方法及应用
本专利技术涉及一种硅碳负极复合材料的制备方法及应用，属于合金

技术介绍
锂离子电池作为目前最有竞争力的二次电池，在现有的二次电池体系中，无论从电池的使用寿命、工作电压、比能量以及自放电率，还是其发展空间，都表现的很突出。随着科技的发展，特别是电子产品有了更高的需求，所以给锂离子电池提出了更大的挑战。如今，锂离子电池需要更好的循环寿命、高的能量密度、优越的充放电性能和安全系数等，这就要求锂离子的电解质、正负极材料、隔膜等得到进一步的发展与完善。锂离子电池负极材料运用最多的是碳材料，比如人造石墨、石墨化中间相以及天然石墨等。在非碳负极材料中，硅的极限容量为4200mA•h/g，而且储锂的反应电压平台较低，自然界中的储量很丰富。因此硅是一种新型的高能材料，被用作制备硅碳复合材料具有很高的发展前景。但是硅在深度脱锂/嵌锂时体积膨胀大，在运作过程中易与集流体导电介质失去电接触，引起首次库伦效率低、循环性能差。更为严重的是，硅/硅材料本实导电效率很低，在锂离子电池商业化应用过程中收到了很大的制约。目前硅碳负极材料面临最核心的问题是：①硅粉的处理以及造价②硅碳负极材料性能③环保问题。市场上购置的粗硅粉均存在氧化问题，对于前处理有采用还原的由SiO2还原制备Si，有用HF刻蚀的，有选用纳米硅粉的，但是这些都存在酸碱不环保问题，且造价昂贵。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的缺陷，提出一种硅碳负极复合材料的制备方法及应用，制得的硅碳复合材料价格低廉、性能优异，用在锂离子电池的负极片上时，可提高锂离子电池的性能。本专利技术通过以下技术方案解决技术问题：本专利技术首先提供一种硅碳负极复合材料的制备方法,包括以下步骤：硅粉及石墨前处理—制备混料—球磨混料—烧结制备硅碳负极材料。具体方法如下：所述硅粉及石墨前处理中，硅粉为市售的粗硅粉，粒径为200-400目，处理方式为先用酒精砂磨处理所述粗硅粉，砂磨机转速为1800-2000r/min，砂磨时间为2h，砂磨后采用三层滤纸过滤、烘干；石墨为市售的容量≥300mAh/g的石墨，处理方式为鼓风干燥箱中烘干2小时，温度为100-150℃。所述石墨为人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳中的至少一种。前处理的优点是：酒精砂磨处理，能去除杂质，砂磨后的硅粉粒径更小，硅表面的氧化层被破碎，粉末更加纯净，易与碳源混料。石墨在鼓风干燥箱中烘干2小时，能去除里面含有的水分，利于后面的烧结。所述制备混料是将碳的质量分数为85-95%的碳和质量分数为5-15%的硅粉混合，再加入占硅碳混料15-20wt.%的粘结剂和占硅碳混料400-500wt.%的磨球。所述粘结剂为蔗糖、葡萄糖中的至少一种，加入水配置成水溶液；所述磨球粒径为2-5mm。烧结后只剩下碳，无外来杂质引入。所述球磨混料为将制备好的混料装入球磨机罐，充入保护气体，盖上密封盖,对充气后的球磨罐在球磨机上球磨，球磨转速为800-1000r/min，球磨时间为3-5h，将球磨后的混料进行去磨球处理，在真空干燥箱中抽气干燥，时间为1-2h，温度为80-100℃。所述保护气体为氮气、氩气中的至少一种，排气充气过程在手套箱中操作。保证了硅碳复合材料制备的纯净度和成功率。所述烧结制备硅碳负极材料中，将去磨球后的硅碳负极混料装入石英坩埚中，分三段烧结：第一段温度0-200℃，升温速率为1-3℃/min，保温时间为1-3h；第二段温度200-400℃，升温速率为1-3℃/min，保温时间为1-3h；第三段温度400-900℃，升温速率为1-3℃/min，保温时间为1-3h；烧结过程中通入氮气、氩气中的至少一种，制得硅碳负极复合材料。本专利技术进一步提供上述硅碳负极复合材料的应用，将所述硅碳复合负极材料用于制备纽扣电池，包括以下步骤，硅碳复合负极材料的破碎—涂布制备负极—制备纽扣电池并测试。具体包括以下步骤：将烧结后制备的硅碳负极复合材料进行破碎，破碎时间为2-4min；将破碎后的硅碳负极复合材料与导电剂、粘结剂制备成负极浆料，各成分质量占比为硅碳负极80-90%、导电剂5-10%、粘结剂5-10%；所述导电剂为炭黑、导电石墨、碳纳米管和纳米碳纤维等中的至少一种，所述粘结剂为PVA、PTFE、CMC、PVDF、NMP、聚氨酯中的至少一种；将配置好的负极浆料在涂布机上制备负极材料，涂布厚度为80-120um，涂布材料为铜箔或铝箔，制备成锂离子纽扣电池，并测试负极材料的循环性、比容量。本专利技术选用酒精砂磨粗硅粉，将粗硅粉装入砂磨罐，在砂磨机上砂磨，有利于①将粗粉磨细,②通过酒精去除油脂和杂质,③没有酸碱加入，环保。混料过程中选用石墨与硅粉在球磨罐中，球磨，有利于①硅碳粉末的均匀混合，②硅粉进一步磨细，有利于后续的烧结。在测试过程中，制备的硅碳负极材料比容量高，循环性能好。本专利技术的有益效果：整个制备过程中无酸碱加入，选用的材料为普通硅粉/碳粉，造价低，制备手段简单，环保，且性能好。附图说明图1为本专利技术硅碳负极复合材料的实施步骤简图。具体实施方式实施例一本实施例按照以下方法制备硅碳负极复合材料并应用于纽扣电池。具体方法是：将市场购置的硅粉，粒径为300目，先用酒精砂磨处理，砂磨机转速为2000r/min，砂磨时间为2h，采用三层滤纸过滤、烘干；市场上购置石墨其容量为300mAh/g，在鼓风干燥箱中烘干2小时，温度为110℃；碳的质量分数90%,硅粉的质量分数为10%，装入球磨机罐中；粘结剂为蔗糖，加入少量水配置成水溶液，水量以刚好溶解蔗糖为准，添加少量粘接剂在硅碳混料中，添加量为硅碳混料的20wt.%，并添加磨球，添加量为硅碳混料的400wt.%，磨球粒径为2-5mm混合；对球磨罐在手套箱中进行排气充气处理，保护气为氩气；对充气后的球磨罐在球磨机上球磨，球磨转速为850r/min，球磨时间为4h，将球磨后的混料进行去磨球处理，在真空干燥箱中抽气干燥，时间为2h，温度为100℃；将去磨球后的硅碳负极混料装入石英坩埚中，分三段烧结：①0-200℃，升温速率为2℃/min，保温时间为2h。②200-400℃，升温速率为2℃/min，保温时间为2h。③400-900℃，升温速率为2℃/min，保温时间为2h。烧结过程中通入保护气，所述保护气为氩气，制得硅碳负极复合材料；对烧结后制备的硅碳负极复合材料在破碎机上进行破碎，破碎时间为3min。对破碎后的硅碳负极复合材料与导电剂、粘结剂制备成负极浆料，各成分质量占比为硅碳负极90%、导电剂5%、粘结剂5%。导电剂为炭黑，所述的粘结剂为PVDF；将配置好的负极浆料在涂布机上制备负极材料，涂布厚度为80um，涂布材料为铜箔。对制备的负极制备成锂离子纽扣电池，测试负极材料的循环性、比容量。实施例2本实施例按照以下方法制备硅碳负极复合材料并应用于纽扣电池。将市场购置的硅粉，粒径为30本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅碳负极复合材料的制备方法，包括以下步骤：硅粉及石墨前处理—制备混料—球磨混料—烧结制备硅碳负极材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极复合材料的制备方法，包括以下步骤：硅粉及石墨前处理—制备混料—球磨混料—烧结制备硅碳负极材料。


2.根据权利要求1所述硅碳负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述硅粉及石墨前处理中，硅粉为市售的粗硅粉，粒径为200-400目，处理方式为先用酒精砂磨处理所述粗硅粉，砂磨机转速为1800-2000r/min，砂磨时间为2h，砂磨后采用三层滤纸过滤、烘干；石墨为市售的容量≥300mAh/g的石墨，处理方式为鼓风干燥箱中烘干2小时，温度为100-150℃。


3.根据权利要求2所述硅碳负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述石墨为人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳中的至少一种。


4.根据权利要求1所述硅碳负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述制备混料是将碳的质量分数为85-95%的碳和质量分数为5-15%的硅粉混合，再加入占硅碳混料15-20wt.%的粘结剂和占硅碳混料400-500wt.%的磨球。


5.根据权利要求4所述硅碳负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为蔗糖、葡萄糖中的至少一种，加入水溶解为水溶液；所述磨球粒径为2-5mm。


6.根据权利要求1所述硅碳负极复合材料的制备方法，其特征在于：所述球磨混料为将制备好的混料装入球磨机罐，充入保护气体，盖上密封盖,对充气后的球磨罐在球磨机上球磨，球磨转速为800-1000r/min，球磨时间为3-5h，将球磨后的混料进行去磨球处理，在真空干燥箱中抽气干燥，时间为1-2h，温度为80-10...

【专利技术属性】
技术研发人员：余挺，于连旭，马步洋，王崇愚，
申请(专利权)人：南京国重新金属材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32