一种各向同性硅碳负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种材料，特别涉及一种各向同性硅碳负极材料及其制备方法和应用。各向同性硅碳负极材料的中值粒径：D50＝5～12um，满电反弹值小于20.1％，2C容量保持率大于67.3％。制备方法包括如下步骤：(1)改性硅材料；(2)硅复合造粒：取β树脂与改性硅材料进行混捏，得到硅复合料；(3)硅复合料低温碳化；(4)将得到的低温碳化料，进行粉碎处理，得到粉碎料；取表面改性剂，对粉碎料进行表面改性处理，得到改性料；(5)改性料高温碳化、筛分：将改性料放置于碳炉中，在氮气气氛下，进行高温碳化处理，自然降温进行筛分。采用本发明专利技术制备的硅碳材料，具备明显的颗粒各向同性结构及整体结构稳定性，达到硅碳材料具备快充和低膨胀的效果。达到硅碳材料具备快充和低膨胀的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种各向同性硅碳负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种材料，特别涉及一种各向同性硅碳负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池主要是由正极、负极、电解液、隔膜等关键材料构建而成。负极主要选择各种石墨粉为主材。人类对石墨材料的研究颇有历史，在材料结构及性能、工业生产及锂离子电池体系中的应用都相对成熟。目前石墨负极实际克容量已接近理论值，高端人造石墨克容量在356mAh/g以上，天然石墨克容量在360mAh/g以上，接近理论克容量372mAh/g，再想进一步提高石墨实际使用克容量，工业化生产中很难有进一步的突破。
[0003]除石墨负极材料之外，硅基材料由于其具有较高的克容量(4200mAh/g)，是石墨的10倍左右，成为下一代高能量密度锂离子电池首选的负极材料。硅具有较高的电化学嵌锂电位(约0.4V vs.Li/Li+)，高安全性、储量丰富等优点，但也存在严重的劣势：充放电时体积变化严重(约300％)，容量衰减迅速；硅的导电性较差，大电流进行充放电时性能不理想。因此，从材料结构本身出发，合理设计硅基负极材料，达到具有低膨胀和快充特性的材料，仍旧是目前需要深入研究的技术问题。
[0004]专利CN202011594487.2中，以果壳粉为原料，经过酸碱反应，得到一种硅碳负极材料，解决体积膨胀收缩大、库伦效率低、循环保持率低的问题；专利CN202011402830.9中，以纳米硅粉为原料，BPEI和ANI为改性剂，得到导电三维网络包覆的硅碳负极材料。但以上专利都存在难以工业化生产的现实困难。
[0005]因此，通过一种易于工业化的方式，制备具有低膨胀和快充能力的硅碳负极材料具有现实的意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中硅基材料充放电时严重体积变化(约300％)，容量衰减迅速；导电性较差，大电流进行充放电时性能不理想的劣势，而针对性的提供了一种各向同性硅碳负极材料、制备方法和应用。本专利技术制得的硅碳负极材料具有各向同性结构，具备较低的膨胀和高的快充能力，制备工艺简单，易于产业化，原料储量丰富来源有保障，可满足锂离子电池高性能负极材料的特性需求。
[0007]本专利技术提供一种各向同性硅碳负极材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0008](1)改性硅材料(组分A)：取纳米硅粉，在搅拌状态下，滴加一定比例的改性剂，静置，硅粉末颗粒表面充分浸润改性剂；
[0009](2)硅复合造粒：取β树脂(组分B)与改性硅材料按照一定比例，在混捏锅中进行混捏，得到由β树脂和改性硅材料复合而成的硅复合料C；
[0010](3)硅复合料低温炭化：将硅复合料C放置于碳化炉中，在氮气气氛下，以较低的温度进行碳化处理，自然降温；
[0011](4)将上述(3)步骤得到的低温碳化料，进行粉碎处理，得到粉碎料。取一定量的表面改性剂，对粉碎料进行表面改性处理，得到改性料D；
[0012](5)碳化、筛分：将改性料D放置于碳炉中，在氮气气氛下，以较高的温度进行碳化处理，自然降温；对碳化料进行筛分后，得到一种各向同性硅碳负极材料。
[0013]步骤(1)中，所述的纳米硅粉的中值粒径D50＝30～50nm，为球形或片状，若为球形颗粒，D99＜200nm。
[0014]步骤(1)中，所述搅拌设备为锥型螺带混料机，转速为10～50r/min，搅拌时间10～30min。所述静置时间为3～6h。
[0015]步骤(1)中，所述改性剂为轻油、酚油、萘油中的一种或多种混合剂，所述改性剂的比例为硅粉质量的5％～10％；
[0016]步骤(2)中，所述β树脂的芳香性指数(Iar)为0.40～0.60，氧含量为2.50～2.70％；所述β树脂(组分B)与改性硅材料比例为10：1。
[0017]步骤(2)中，所述混捏锅，可以是任何结构的混捏锅，转速为5～15r/min。
[0018]步骤(3)中，所述氮气气氛的流量0.1～0.8mL/min；所述碳化条件为：以3.0～5.0℃/min由室温升温至200～300℃，恒温0.5h，随后以3.0～5.0℃/min升温至450～500℃，恒温1～2h，恒温结束后，自然降温至室温。
[0019]步骤(4)中，所述粉碎设备可以是机械粉碎、气流粉碎中的任何一种，材质可以是不锈钢材质中的任何一种。
[0020]步骤(4)中，所述粉碎料，需过20目筛，取筛下料。
[0021]步骤(4)中，所述表面改性剂为轻油、酚油、萘油中的一种或多种混合剂，所述表面改性剂的比例为粉碎料质量的5％～15％；所述改性设备为锥型螺带混料机，转速为10～50r/min，搅拌时间30～90min。
[0022]步骤(5)中，所述氮气气氛的流量0.1～0.8mL/min；所述碳化条件为：以3.0～5.0℃/min由室温升温至900～1200℃，恒温1.5～3.0h，恒温结束后，自然降温至室温。
[0023]步骤(5)中，过筛处理为采用300～350目标准筛，取筛下料，筛下料的中值粒径：D50＝5～12um。
[0024]在符合本领域常识的基础上，上述各条件，可任意组合，即得本专利技术各较佳实例。
[0025]本专利技术所用试剂和原料除β树脂外均市售可得，β树脂为自制材料。
[0026]本专利技术同现有技术相比，纳米硅颗粒与β树脂可以形成整体各向同性硅碳颗粒材料，利用材料的整体各向同性结构设计，达到硅碳材料具备快充和低膨胀的效果。
[0027]本专利技术的积极进步效果在于：本专利技术以纳米级硅粉为主原料，利用β树脂特殊的分子结构，对硅粉颗粒造粒成型处理，再进行粉体表面改性，制备出整体结构各向同性的硅碳负极材料。采用本专利技术制备的硅碳材料，工艺简单，可操作性强，同时具备明显的颗粒各向同性结构及整体结构稳定性，达到硅碳材料具备快充和低膨胀的效果。
附图说明
[0028]图1是实施例1制得各向同性结构的硅碳复合负极颗粒的偏光照片。
具体实施方式
[0029]下面通过实施例的方式进一步说明本专利技术，但并不因此将本专利技术限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
[0030]实施例1
[0031](1)取中值粒径D50＝30nm的纳米硅粉20kg，轻油1.5kg，投入锥型螺带混料机，转速为10r/min，搅拌时间30min，静置3h，硅粉末颗粒表面充分浸润改性剂轻油。
[0032](2)取芳香性指数(Iar)为0.40、氧含量为2.50％的β树脂215kg,投入混捏锅中，混捏锅转速为5r/min。得到硅复合料C。
[0033](3)将硅复合料C放置于碳化炉中，在氮气气氛下，氮气流量0.1mL/min，3.0℃/min由室温升温至200℃，恒温0.5h，随后以3.0℃/min升温至450℃，恒温1h，恒温结束后，自然降温至室温。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种各向同性硅碳负极材料，其特征在于：中值粒径：D50＝5～12um，满电反弹值小于20.1％，2C容量保持率大于67.3％。2.一种根据权利要求1所述的各向同性硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)改性硅材料：取纳米硅粉，在搅拌状态下，滴加改性剂，静置，纳米硅粉颗粒表面充分浸润改性剂；(2)硅复合造粒：取β树脂与改性硅材料进行混捏，得到由β树脂和改性硅材料复合而成的硅复合料；(3)硅复合料低温碳化：将硅复合料放置于碳化炉中，在氮气气氛下，进行低温碳化处理，自然降温，得到第一低温碳化料；(4)将上述(3)步骤得到的低温碳化料，进行粉碎处理，得到粉碎料；取表面改性剂，对粉碎料进行表面改性处理，得到改性料；(5)改性料高温碳化、筛分：将改性料放置于碳炉中，在氮气气氛下，进行高温碳化处理，自然降温，得到第二低温碳化料；对第二低温碳化料进行筛分后，得到一种各向同性硅碳负极材料。3.根据权利要求2所述的各向同性硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的纳米硅粉的中值粒径D50＝30～50nm，为球形或片状，若为球形颗粒，D99＜200nm。4.根据权利要求2所述的各向同性硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述改性剂为轻油、酚油、萘油中的一种或多种混合剂，所述改性剂的比例为纳米硅粉质量的5％～10％。5.根据权利要求2所述的各向同性硅碳负极材料的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘锐剑，金海侹，吕猛，胡博，蔡新辉，
申请(专利权)人：中钢热能金灿新能源科技湖州有限公司，
类型：发明
国别省市：