锂离子电池C@Cu@Si复合多孔负极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池C@Cu@Si复合多孔负极材料的制备方法，将硅粉和铜粉研磨复合，得到铜硅复合粉末；将沥青粉、去离子水、四氢呋喃经磁力搅拌得到均匀的混合溶液；建立冷喷涂系统，以铜箔为基板，送粉器外部配置压力平衡装置，雾化器的输出端连接于拉瓦尔喷管扩张段；采用双送粉方式，将铜硅复合粉末通入送粉器，将混合溶液通过注射泵充入雾化器，铜硅复合粉末经高温高压气流携带进入喷管，与雾化器雾化后的液滴相撞并被其包裹，一同高速撞击至基板表面实现沉积得到复合涂层；将复合涂层干燥处理后进行碳化，得到锂离子电池C@Cu@Si复合多孔负极材料，本发明专利技术碳铜硅三者的双层包覆结构可以有效缓解硅基负极的体积膨胀问题。覆结构可以有效缓解硅基负极的体积膨胀问题。覆结构可以有效缓解硅基负极的体积膨胀问题。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池C@Cu@Si复合多孔负极材料的制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池领域，具体涉及一种锂离子电池C@Cu@Si复合多孔负极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池因其比容量高、循环寿命长等优点被大量使用在手机、无人机等便捷智能产品领域，同样随着便捷式储能设备的出现和普及，锂离子电池的商用需求量越来越大。
[0003]由于理论容量过小，传统石墨负极已经不能满足现有锂离子电池的商用需求。硅材料因其自身的高比容量（3580mAh/g）才得以在众多替代材料中获得关注。
[0004]硅单质的提取技术在工业中早已成熟，然而利用硅作为锂离子电池负极，电池在工作即锂离子嵌入和脱出的过程中，负极会出现巨大的体积变化，剧烈的体积膨胀会造成负极内部产生较大的应力，最终部分电极材料粉化导致电池失效；另外，每一循环过程中硅不断出现的体积膨胀会使电极内部无法形成稳定均匀的SEI膜，之后会出现破裂，继而不断有新的SEI膜生成，直到电解液消耗完毕同样导致电池失效。
[0005]国内外研究人员针对锂离子硅基负极的缺陷做了大量研究，比如针对材料本身，将颗粒纳米化、碳包覆、与碳材料或非金属材料复合等方式；针对材料以外，研发新型粘接剂，改善电解质组成，涂覆集流体等方式。
[0006]高能球磨法不同于传统复合工艺，其具有反应温度低、粉体粒径均匀、适合批量生产等优点，可制备化学方法或者高温方法不能制备的超细复合粉体。
[0007]冷气体动力喷涂（冷喷涂）技术是近几年发展起来的表面沉积技术，喷涂粉末由送粉器送入拉法尔喷管中，经超音速气流加速后高速撞击到基板上，产生剧烈的塑性变形，沉积至基板形成涂层。
[0008]雾化是通过特殊装置将液体分散成众多微小液滴的技术。液体通过高速气流或者压力喷嘴，呈雾状喷射而出。
[0009]目前所采用的硅碳复合，硅铜复合等制备方案，存在诸如生产成本高、效率低，结合强度低，过程复杂，不利于规模化生产等不足。
[0010]如申请号CN201610164963.4的中国专利技术专利，本专利技术公开了一种多孔硅
‑
碳复合材料的制备方法，具体为：将硅化镁粉末置于CO2/Ar混合气氛下，在700～900℃下进行热处理，再经酸洗及后处理得到所述的多孔硅
‑
碳复合材料；所述的CO2/Ar混合气氛中，CO2的体积分数为10～90％。该方案热处理时间约为10～20h，酸洗采用浓度为0.5～5mol/L的盐酸，处理时间为2～10h，此外还包括水洗、产物离心及真空干燥等过程，整个方案过程复杂，所需设备较多，耗时耗能，成本较高，显然不利于工业化生产。

技术实现思路

[0011]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种锂离子电池C@Cu@Si复合多孔负极
材料的制备方法，本专利技术选择将冷喷涂、雾化两种工艺结合，采用特殊的双送粉系统制备锂离子电池硅基复合负极。采用一系列物理方法构造多孔结构，为锂离子电池硅基负极的体积膨胀提供可容纳的空间的同时增强导电性。
[0012]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种锂离子电池C@Cu@Si复合多孔负极材料的制备方法，包括下述步骤：（1）将硅粉和铜粉按比例混合后采用高能球磨法进行研磨复合，得到铜硅复合粉末；（2）将沥青粉、去离子水、四氢呋喃按比例混合，经磁力搅拌得到均匀的混合溶液；（3）建立冷喷涂系统，以预先清洗好的铜箔为基板，送粉器外部配置压力平衡装置，实现重力送粉，送出的粉末通过高温高压气流带动，通入拉瓦尔喷管，雾化器的输出端连接于拉瓦尔喷管扩张段；（4）采用双送粉方式，将所述铜硅复合粉末通入送粉器，将混合溶液通过注射泵充入雾化器，喷涂过程中，受重力送出的铜硅复合粉末经高温高压气流携带进入拉瓦尔喷管，穿过喉部到达喷管扩张段，与所述雾化器雾化后的液滴相撞并被其包裹，一同高速撞击至基板表面实现沉积，得到复合涂层；（5）将所述复合涂层干燥处理后进行碳化，得到锂离子电池碳铜硅复合多孔负极。
[0013]进一步，所述步骤（1）中铜粉和硅粉体积比为1:（1
‑
2）。
[0014]进一步，所述步骤（1）中硅粉平均粒径为500nm
‑
50μm，铜粉平均粒径为500nm
‑
30μm。
[0015]进一步，所述步骤（1）中球磨机转速范围为200
‑
600rpm，球料比为10:1，球磨时间为4h
‑
24h。
[0016]进一步，所述步骤（2）中沥青粉、去离子水、四氢呋喃在室温下混合及进行磁力搅拌。
[0017]进一步，所述步骤（2）中沥青粉、去离子水、四氢呋喃的体积比为1：（0.5
‑
2）：1。
[0018]进一步，所述步骤（3）中雾化器喷孔直径为0.1
‑
0.5mm，雾化器输出端与拉瓦尔喷管的连接处直径0.1
‑
20mm，送粉器孔口直径为0.1
‑
0.5mm，送粉管直径为0.1
‑
20mm。
[0019]进一步，所述步骤（3）中拉瓦尔喷管、送粉器及送粉管、雾化器及其输出端，材质均为不锈钢，保证整个冷喷涂过程中的密闭性。
[0020]进一步，所述步骤（3）中雾化器输出端位置为整个喷管扩张段长度的1/3
‑
2/3。
[0021]进一步，所述步骤（3）中雾化器流量为0.01
‑
0.3L/min，雾化压力为1
‑
10MPa，送粉器流量为10
‑
150g/min，高温高压气流压力即冷喷涂氮气气流压力为1
‑
10MPa，一般要求雾化压力＞主气流压力，喷涂温度为100
‑
1000℃，步进电机脉冲频率为100
‑
3000Hz，喷管与基板的距离为1
‑
50mm，喷涂路径为“弓”字形，喷涂扫描速度为0.1
‑
1m/s，喷涂道次范围为1
‑
5次，喷涂过程中所用的加速气体为氮气。
[0022]进一步，所述步骤（4）中通过调节注射泵压力控制雾化器的雾化量，通过调节步进电机脉冲频率控制送粉器的送粉量，由送粉器送出的铜硅复合粉末与由雾化器雾化出的液滴在喷管扩张段发生撞击并混合后，经冷喷涂系统的主气流加速，喷涂方向朝下垂直于水平放置的铜箔基板，沉积厚度为0.1
‑
1mm，制备出复合涂层。
[0023]进一步，所述步骤（5）中将所述复合涂层70
‑
150℃下干燥1
‑
12h。之后移入氮气气
氛下以5℃/min的加热速率加热至500
‑
1500℃，碳化1
‑
24h，获得C@Cu@Si复合多孔负极材料。
[0024]本专利技术所采用的制备方法制得的C@Cu@Si复合多孔负极材料的应用：以金属锂片作为对电极，以单层聚本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池C@Cu@Si复合多孔负极材料的制备方法，其特征在于：包括下述步骤：（1）将硅粉和铜粉按比例混合后采用高能球磨法进行研磨复合，得到铜硅复合粉末；（2）将沥青粉、去离子水、四氢呋喃按比例在室温下混合，经磁力搅拌得到均匀的混合溶液；（3）建立冷喷涂系统，以预先清洗好的铜箔为基板，送粉器外部配置压力平衡装置，实现重力送粉，送出的粉末通过高温高压气流带动，通入拉瓦尔喷管，雾化器的输出端连接于拉瓦尔喷管扩张段；（4）采用双送粉方式，将步骤（1）得到的铜硅复合粉末通入送粉器，将步骤（2）得到的混合溶液通过注射泵充入雾化器，喷涂过程中，受重力送出的铜硅复合粉末经高温高压气流携带进入拉瓦尔喷管，穿过拉瓦尔喷管的喉部到达喷管扩张段，与所述雾化器雾化后的液滴相撞并被其包裹，一同高速撞击至基板表面实现沉积，得到复合涂层；（5）将步骤（4）得到的复合涂层干燥处理后进行碳化，得到锂离子电池C@Cu@Si复合多孔负极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中铜粉和硅粉的体积比为1:（1
‑
2）；硅粉平均粒径为500nm
‑
50μm，铜粉平均粒径为500nm
‑
30μm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中球磨机转速范围为200
‑
600rpm，球料比为10:1，球磨时间为4h
‑
24h。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中沥青粉、去离子水、四氢呋喃的体积比为1:（0.5
‑
2）:1。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中雾化器喷孔直径为0.1
‑
0.5mm，雾化器输出端与拉瓦尔喷管的连接处直径为0.1
‑
20mm，送粉器孔口直径为0.1
‑
0.5mm，送粉管直径为0.1
‑
20mm，所述步骤（3）中拉瓦尔喷管、送粉器及送粉管、雾化器及其输出端，材质均为不锈钢，保证整个冷喷涂过程中的密闭性；所述步骤（3）中雾化器输出端与拉瓦尔喷管的连接处位于整个拉瓦尔喷管扩张段长度的1/3
‑
2/3。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中雾化器流量为0.01
‑
0.3L/...

【专利技术属性】
技术研发人员：楚晓婉，宋俊，张琦，陈宇慧，蒋明杰，张若琳，
申请(专利权)人：郑州轻工业大学，
类型：发明
国别省市：