一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备工艺和设备制造技术

本发明专利技术公开了一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备工艺和设备，负极材料包括基材和沉积在基材表面的纳米硅，所述基材为碳材料，所述纳米硅通过等离子增强化学气相沉积工艺沉积在基材表面，所述等离子增强化学气相沉积工艺过程中，基材在沉积区为流态化运动状态，所述等离子增强化学气相沉积工艺在流态化等离子气相沉积炉内进行，所述流态化等离子气相沉积炉内设有正极板、负极板和搅拌上料机构，所述基材在负极板振动作用和搅拌上料机构作用下在沉积区作流态化循环运动。本发明专利技术通过基材在沉积过程的流态化流动，确保纳米硅均匀且牢固的分布在碳材料上，解决了纳米硅因游离而抱团的问题，将其作为锂离子电池负极材料可以有效提高电池的工作性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备工艺和设备
本专利技术涉及锂离子电池负极材料
，更具体地，涉及一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备工艺和设备。
技术介绍
锂离子电池是一种较为成熟的二次电池，随着社会不断进步和不断发展，人们对锂离子电池负极材料的要求越来越高，传统石墨类负极材料由于容量已接近372mAh/g的理论容量，已不能进一步满足电子设备小型化要求和车用电池的大功率、高能量密度要求。硅碳负极材料是一种可替代石墨负极材料的先进的锂离子电池负极材料，其市场占有率正快速增长。现有的硅碳负极材料制备工艺普遍采用高能磨工艺制备硅碳负极材料中的硅氧化物纳米颗粒，由于纳米硅氧化物与碳材料均为游离态，纳米硅氧化物抱团现象无法解决，导致纳米硅氧化物无法均匀的分布在碳材料中，加上纳米硅氧化物颗粒与碳的结合不严密或粘接力不强，严重影响了锂离子电池的快充性能和使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种锂离子电池硅碳负极材料，该负极材料包括基材和沉积在基材表面的单质纳米硅颗粒，基材在沉积过程中流态化流动，并采用等离子增强化学气相沉积工艺，可确纳米硅均匀且牢固的分布在基材表面，在确保锂离子电池容量高能量密度的前提下，有效提高了锂离子电池的快速充放电性能和循环性能。本专利技术的另一目的在于提供上述锂离子电池硅碳负极材料的制备工艺，工艺过程简单，制备的负极材料均匀一致，可大规模工业化生产，实现产业化。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种锂离子电池硅碳负极材料，包括基材和沉积在基材表面的纳米硅，所述基材为碳材料，所述纳米硅通过等离子增强化学气相沉积工艺沉积在基材表面，所述等离子增强化学气相沉积工艺过程中，基材在沉积区为流态化运动状态，所述等离子增强化学气相沉积工艺在流态化等离子气相沉积炉内进行，所述流态化等离子气相沉积炉内设有正极板、负极板和搅拌上料机构，所述正极板和负极板之间为沉积区，所述负极板具有振动输料功能，所述搅拌上料机构用于将基材混合均匀并将基材从负极板下方输送到负极板上方，所述基材在负极板振动作用和搅拌上料机构作用下在沉积区作流态化循环运动。进一步地，所述负极板的振动频率和振幅分别独立可调，所述搅拌上料结构为旋转搅拌机构，旋转速度独立可调，所述基材在负极板的振动作用和搅拌装置作用的协调配合下，在沉积区作流态化循环运动。进一步地，所述基材为石墨烯、碳纳米片、碳纤维、碳纳米管、人造石墨、天然石墨、中间相微球、软碳、硬碳中的至少一种。进一步地，所述纳米硅为颗粒状，粒度为1～200nm。本专利技术沉积过程中，以碳基体材料作为载体，使沉积后的纳米硅与基材之间形成了相对固定的位置关系，消除了游离状纳米硅，彻底解决了纳米硅抱团的技术难题；基材在沉积区为流态化运动状态，可使纳米硅均匀稳定的分布在基材表面，基材还有利于吸收纳米硅在充放电过程中的体积膨胀。一种上述锂离子电池硅碳负极材料的制备工艺，包括以下步骤：S1.将基材放入流态化等离子气相沉积炉中，对沉积炉进行抽真空处理；S2.对沉积炉进行升温，并使基材在负极板振动作用和搅拌上料机构作用下在沉积区作流态化循环运动；S3.向沉积炉内通入稀释气体，接通等离子发生器，随后加入硅源气体，在基材表面沉积纳米硅，得到产品A；S4.将产品A筛分过滤，得到产品A1，将产品A1进行包覆处理，得锂离子电池硅碳负极材料。进一步地，步骤S4中所述包覆处理为液相包覆，将液相包覆后的A1经碳化、筛分过滤后得锂离子电池硅碳负极材料B1。进一步地，步骤S4中所述包覆处理为表面气相包覆纳米碳，表面气相包覆纳米碳的A1经筛分过滤后得锂离子电池硅碳负极材料B2。进一步地，所述表面气相包覆纳米碳的碳源气体包括甲烷、乙烯、乙炔中的至少一种。进一步地，所述表面气相包覆纳米碳中的纳米碳为颗粒状和/或薄膜状。进一步地，所述制备工艺还包括对B2进行液相包覆处理，将液相包覆后的B2经干燥、碳化、筛分过滤后得锂离子电池硅碳负极材料B3。进一步地，步骤S1中流态化等离子气相沉积炉内压力为0.01～2托，步骤S2中沉积炉的温度为350～600℃。进一步地，步骤S3中稀释气体与硅源气体的体积比为0.2～6:1，所述流态化等离子气相沉积炉内压力为2～10托。进一步地，步骤S3中硅源气体包括SiH4、SiHCl3、SiH2Cl2中的至少一种。进一步地，步骤S3中所述稀释气体包括氢气、氮气、氩气、氦气中的至少一种。进一步地，所述流态化等离子气相沉积炉所用等离子发生器包括带直流偏压的电容式射频电源，即直流电源与射频电源负载电容并联连接，直流电源负极与负极板电连接，负极板与基材接触。一种锂离子电池硅碳负极材料，由锂离子电池硅碳负极材料B1、B2、B3以任意比例混合或勾兑形成。一种锂离子电池硅碳负极材料，由锂离子电池硅碳负极材料B1、B2、B3和锂离子电池碳负极材料以任意比例混合或勾兑形成。一种锂离子电池硅碳负极材料制备工艺所用设备，所述设备为流态化等离子气相沉积炉，所述沉积炉炉体上设有进料口和出料口，炉体外侧设有电热元件，在炉体内部设有正极板和负极板，正极板设在负极板上方，正极板与负极板之间保持一定的工作距离，所述正极板与负极板之间为等离子气相沉积区，所述负极板连接振动装置，具有振动输料功能，所述负极板下方设有搅拌上料机构，搅拌上料结构将负极板下方的基材输送到负极板上方，所述基材在负极板的振动作用和搅拌上料机构作用的协调配合下，实现了基材在沉积区的循环流动和沉积炉对基材的连续沉积。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术中的基材在沉积过程中的流态化运动，使纳米硅以纳米颗粒形式均匀分布在基材表面，颗粒与颗粒之间设有间隙，有效抑制了沉积硅在基材表面形成薄膜而阻塞锂离子与基材的接触。本专利技术在沉积过程中采用等离子增强化学气相沉积工艺，使纳米硅和基材牢固结合在一起，且纳米硅与基材形成了相对位置关系，限制了纳米硅的游离，解决了纳米硅因游离而抱团的问题。沉积硅以纳米颗粒形式均匀分布在基材表面，可有效抑制硅碳负极材料中的硅元素在锂离子电池中形成局部过度膨胀，从而提高锂离子电池的使用寿命。本专利技术采用表面沉积，纳米硅分布面广，与电解液反应面积大，使锂离子电池具有优异的倍率性能，在确保锂离子电池容量高密度的前提下，有效提高了锂离子电池的快速充放电性能和循环性能。附图说明图1为带立式搅拌上料机构的流态化等离子气相沉积炉的结构示意图；图2为带卧式搅拌上料机构的流态化等离子气相沉积炉的结构示意图；图3为流态化等离子气相沉积纳米硅形貌效果电镜图；图4为流态化等离子气相沉积纳米硅分散性能谱图；其中，1为负极板，2为电热元件，3为正极板，4为炉体，4001为进料口，4002为出料口，5为搅拌上料机构。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合实施例对本专利技术作更全面、细致地描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，包括基材和沉积在基材表面的纳米硅，所述基材为碳材料，所述纳米硅通过等离子增强化学气相沉积工艺沉积在基材表面，所述等离子增强化学气相沉积工艺过程中，基材在沉积区为流态化运动状态，所述等离子增强化学气相沉积工艺在流态化等离子气相沉积炉内进行，所述流态化等离子气相沉积炉内设有正极板、负极板和搅拌上料机构，所述正极板和负极板之间为沉积区，所述负极板具有振动输料功能，所述搅拌上料机构用于将基材混合均匀并将基材从负极板下方输送到负极板上方，所述基材在负极板振动作用和搅拌上料机构作用下在沉积区作流态化循环运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，包括基材和沉积在基材表面的纳米硅，所述基材为碳材料，所述纳米硅通过等离子增强化学气相沉积工艺沉积在基材表面，所述等离子增强化学气相沉积工艺过程中，基材在沉积区为流态化运动状态，所述等离子增强化学气相沉积工艺在流态化等离子气相沉积炉内进行，所述流态化等离子气相沉积炉内设有正极板、负极板和搅拌上料机构，所述正极板和负极板之间为沉积区，所述负极板具有振动输料功能，所述搅拌上料机构用于将基材混合均匀并将基材从负极板下方输送到负极板上方，所述基材在负极板振动作用和搅拌上料机构作用下在沉积区作流态化循环运动。


2.根据权利要求1所述的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述负极板的振动频率和振动幅度分别独立可调，所述搅拌上料机构为旋转搅拌上料机构，旋转速度独立可调，所述基材在负极板的振动作用和搅拌上料机构的旋转作用协调配合下，在沉积区作流态化循环运动。


3.根据权利要求1所述的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述基材为石墨烯、碳纳米管、碳纤维、碳纳米管、人造石墨、天然石墨、中间相微球、软碳、硬碳中的至少一种。


4.根据权利要求1所述的锂离子电池硅碳负极材料，其特征在于，所述纳米硅为颗粒状，粒度为1～200nm。


5.一种权利要求1～4任一项所述的锂离子电池硅碳负极材料的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将基材放入流态化等离子气相沉积炉中，对沉积炉进行抽真空处理；
S2.对沉积炉进行升温，并使基材在负极板振动作用和搅拌上料机构作用下在沉积区作流态化循环运动；
S3.向沉积炉内通入稀释气体，接通等离子发生器，随后加入硅源气体，在基材表面沉积纳米硅，得到产品A；
S4.将产品A筛分过滤，得到产品A1，将产品A1进行包覆处理，得锂离子电池硅碳负极材料。


6.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，步骤S4中所述包覆处理为液相包覆，液相包覆后的A1经碳化、筛分过滤后得锂离子电池硅碳负极材料B1。


7.根据权利要求5所述的制备工艺，其特征在于，步骤S4中所述包覆处理为表面气相包覆纳米碳，表面气相包覆纳米碳的A1经筛分过滤后得锂离子电池硅碳负极材料B2。


8.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，所述表面气...

【专利技术属性】
技术研发人员：言伟雄，袁建陵，
申请(专利权)人：株洲弗拉德科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43