多层状长循环硅碳负极材料的制造方法技术

一种多层状长循环硅碳负极材料的制造方法，取一纯硅及一第一母胶，该第一母胶的成分为溶剂及分散剂；然后将纯硅与第一母胶混合形成第一混合体再进行研磨形成第一研磨体；然后取一石墨烯及另一第一母胶，将两者混合后进行研磨形成第二研磨体；然后将第一研磨体与第二研磨体混合形成第二混合体，再进行行星式混拌、乳化均质及脱泡行星混拌的程序；然后将纳米碳管及一第二母胶混合后置入一叶片搅拌槽中搅拌，再置入乳化机中搅拌而形成第三混合体；该第二母胶的成分为溶剂及包覆剂；再将经过处理的该第二混合体及该第三混合体进行行星式混拌，形成第四混合体；最后将该第四混合体进行喷雾干燥作业，形成本发明专利技术的硅碳复合结构混合体。构混合体。构混合体。

【技术实现步骤摘要】
多层状长循环硅碳负极材料的制造方法


[0001]本专利技术是关于负极材料的制造方法，尤其是一种多层状长循环硅碳负极材料的制造方法。

技术介绍

[0002]在锂电池的负极材料中，现有成熟技术上，使用石墨作为负极进行锂离子插嵌反应；然而因石墨的电容量有限，面对电容量需求日益提升的3C市场与续航力挂帅的车用市场已无法符合未来需求，因此改进负极材料的电容量已经为一项重要的发展方向。其中硅材料因其优秀的储锂能力而备受市场期待。硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素，而硅材料为一种非金属无定形材料，具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大、高表面活性、封装密度低等的优点，且无毒、无味。因此应用硅材料与石墨材料组成的硅碳复合材料，可用于作为锂离子电池的负极材料，大幅提高锂离子电池的电容量。所以较佳的方式为应用硅材料(纯硅、氧化硅)部分配合石墨使用。因为硅材料的电容量较石墨为高，所以可以使得整个负极具有更大的电容量，以增加电池的储存能力。
[0003]在锂离子电池中，锂离子会通过外部电势与材料位能差异，以电化学形式嵌插进入硅材料的晶体结构中。当锂电池以电化学形式进行放电时，具有电化学活性的锂离子离开硅晶体结构，而形成放电机制进而达到沟通外部电路的电能需求。理论而言开发者与使用者均希望所有的锂离子在充放电过程中能尽量减少耗损，然而在电池作动中势必会有一部分的活性锂会因反应界面增减、电解液或材料中的杂质而与活性锂发生电化学副反应，进而造成非活性锂盐的析出与耗损，使其沉淀在材料周围，形成一层不可逆薄膜，即SEI膜。此SEI现象在硅材料中尤其明显，充电时，硅材料因大量容纳锂离子而使其晶体结构松散膨胀(该结构比原硅材料结构大的多)，硅材料容锂膨胀后，膨胀效应突破材料原结构的表面应力，使得颗粒表面破裂，形成新的反应界面而使材料比表面积BET发生变化，而后此新反应界面会与残余的活性锂发生不可逆反应，造成锂离子耗损；另一方面，放电时活性锂离开硅晶格结构而留下空洞，使得整个材料松软而造成崩塌，崩塌后新的反应界面生成又与活性锂离子发生反应，造成耗损。在多次充放电后，反复发生膨胀、破裂、坍塌、耗锂，使得大量活性锂耗损造成电容量巨幅衰变，降低电池寿命与使用性。
[0004]此外硅材料本身不具备相对应的导电能力，须以导电材料辅助方能进行电子传导与离子传导，此导电碳往往以附加形式形附于其上，因此在膨胀破裂的充放电过程中容易失去连接而造成导电度丧失，导电度丧失后相对应的容量也产生巨幅衰变。
[0005]因此，本专利技术提出一种崭新的具高导电度、高容量、膨胀缓冲性及循环寿命强化的长效硅碳负极材料的制造方法，以解决上述现有技术上的缺陷。

技术实现思路

[0006]所以本专利技术的目的为解决上述现有技术上的问题，本专利技术中提出一种具有高导电度、高容量、膨胀缓冲性及循环寿命强化的制造方法，是将原始的硅材料中加入分散剂(其
组成成分为高分子支撑剂、小分子定锚剂、以及稠化剂)，此复合分散剂用于分散并支撑纳微化的硅材料，避免硅材料在分散过程中反团失去分散效益；并且在材料中加入特定层数的高纯度精炼化石墨烯，利用石墨烯、特殊碳材料与纳微化硅材结合形成特殊3D结构以增加硅材料间的导电沟通桥梁。在分散工艺中以研磨机应用研磨片及锆珠，以及应用特殊行星式混拌机，在各阶段工艺中协作使复合材料可以通过特殊binder配方充分互溶，均匀混合，并辅以造粒喷雾设备赋予其结构形貌；混合产生具较佳的导电性与膨胀缓能力的高循环性硅碳结构。
[0007]为达到上述目的本专利技术中提出一种多层状长循环硅碳负极材料的制造方法，包括下列步骤：步骤A：取一纯硅；步骤B：另外取一第一母胶，该第一母胶的成分为溶剂及分散剂；其中该溶剂的组成成分为乙醇、丙酮及水；该分散剂的组成成分为高分子支撑剂、小分子定锚剂、以及稠化剂；步骤C：将10%wt的纯硅与90%wt的第一母胶混合形成第一混合体，再进行研磨，其研磨的方式为将该第一混合体进入一研磨机中研磨，因此形成第一研磨体；步骤D：取一石墨烯(graphene)；步骤E：另外取第一母胶；将10%wt的石墨烯与90%wt的第一母胶混合后再进入该研磨机中研磨，因此形成第二研磨体；步骤F：将等重量的第一研磨体与第二研磨体混合形成第二混合体，再进行行星式混拌、乳化均质及脱泡行星混拌的程序；步骤G：将纳米碳管(CNT)及一第二母胶混合，该纳米碳管为阵列式纳米碳管，且该第二母胶的成分为溶剂及包覆剂，其中该溶剂为水；步骤H：将该纳米碳管及该第二母胶的混合体置入一叶片搅拌槽中，该叶片搅拌槽包括叶片，通过该叶片搅拌一预定时间，再置入乳化机中搅拌一预定时间而形成第三混合体；步骤I：将经过步骤F处理的该第二混合体及该第三混合体进行行星式混拌，而形成第四混合体；步骤J：然后将该第四混合体进行喷雾干燥作业，而形成硅碳复合结构混合体；其中以上各成分的数值均可以做
±
20%的变动。
[0008]进一步的，在步骤A中，该纯硅为金属还原硅，原始粒径为10~15mm。
[0009]进一步的，在步骤B中，该第一母胶的溶剂其比例为98.8%wt；该第一母胶的分散剂其比例为1.2%wt；其中该溶剂的组成成分为40%wt的乙醇、2%wt的丙酮及58%wt的水；该分散剂的组成成分为0.6~1.2%wt的高分子支撑剂、0.1~0.3%wt的小分子定锚剂、以及0.1~0.4%wt的稠化剂；其中以上各成分的数值均可以做
±
20%的变动。
[0010]进一步的，该高分子支撑剂选自PVP或PVA，且其分子量为20000~30000g/mole；该小分子定锚剂选自不饱和醚酮类或苯磺酸盐类；该稠化剂选自羧乙基或羧丙基纤维素钠、或聚醣类高分子。
[0011]进一步的，在步骤C中，该研磨机包括研磨片及锆珠，该研磨片以3000~3400rpm的转速转动，锆珠的粒径为0.2~0.4mm，在16~23℃的环境下进行12~16小时的研磨，其中该锆珠与该第一混合体的比例为该锆珠占70~78%wt；且在步骤E中，该研磨机包括研磨片及锆珠，进行研磨的条件为使用粒径为0.6~1.0mm的锆珠，研磨片以2200~2600rpm的转速转动，在18~25℃的环境下进行20~24小时的研磨，其中该锆珠与该第一混合体的比例为该锆珠占70~78%wt。
[0012]进一步的，在步骤F中进行行星式混拌的方式为将该第二混合体置入一行星式混拌机中进行混拌，其中该行星式混拌机包括：一内桶，用于放置该第二混合体，并搅拌该第二混合体；一外桶，容纳该内桶，该外桶及该内桶之间配置有冷却水，以冷却该内桶内部的该第二
混合体，该冷却水外接循环冷却系统，以达到该冷却水循环及热交换的效果；一公转式搅拌器，配置于该内桶内，并外接驱动机构，该公转式搅拌器是用于将该第二混合体做大路径的搅拌，以使得该第二混合体在该内桶内部形成较大区域的位移；一自转式搅拌器，是用于将该第二混合体做局部的充分搅拌，主要是由块状体沿着自身的轴线作自转，而使得在该自转式搅拌器周围的该第二混合体形成涡流；其中该自转式搅拌器为至少一转球，并由本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层状长循环硅碳负极材料的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤A：取一纯硅；步骤B：另外取一第一母胶，该第一母胶的成分为溶剂及分散剂；其中该溶剂的组成成分为乙醇、丙酮及水；该分散剂的组成成分为高分子支撑剂、小分子定锚剂、以及稠化剂；步骤C：将10%wt的纯硅与90%wt的第一母胶混合形成第一混合体，再进行研磨，其研磨的方式为将该第一混合体进入一研磨机中研磨，因此形成第一研磨体；步骤D：取一石墨烯；步骤E：另外取第一母胶，将10%wt的石墨烯与90%wt的第一母胶混合后再进入该研磨机中研磨，因此形成第二研磨体；步骤F：将等重量的第一研磨体与第二研磨体混合形成第二混合体，再进行行星式混拌、乳化均质及脱泡行星混拌的程序；步骤G：将纳米碳管及一第二母胶混合，该纳米碳管为阵列式纳米碳管，且该第二母胶的成分为溶剂及包覆剂，其中该溶剂为水；步骤H：将该纳米碳管及该第二母胶的混合体置入一叶片搅拌槽中，该叶片搅拌槽包括叶片，通过该叶片搅拌一预定时间，再置入乳化机中搅拌一预定时间而形成第三混合体；步骤I：将经过步骤F处理的该第二混合体及该第三混合体进行行星式混拌，而形成第四混合体；步骤J：然后将该第四混合体进行喷雾干燥作业，而形成硅碳复合结构混合体；其中以上各成分的数值均做
±
20%的变动。2.如权利要求1所述的多层状长循环硅碳负极材料的制造方法，其特征在于：在步骤A中，该纯硅为金属还原硅，原始粒径为10~15mm。3.如权利要求1所述的多层状长循环硅碳负极材料的制造方法，其特征在于：在步骤B中，该第一母胶的溶剂其比例为98.8%wt；该第一母胶的分散剂其比例为1.2%wt；其中该溶剂的组成成分为40%wt的乙醇、2%wt的丙酮及58%wt的水；该分散剂的组成成分为0.6~1.2%wt的高分子支撑剂、0.1~0.3%wt的小分子定锚剂、以及0.1~0.4%wt的稠化剂；其中以上各成分的数值均做
±
20%的变动。4.如权利要求3所述的多层状长循环硅碳负极材料的制造方法，其特征在于：该高分子支撑剂选自PVP或PVA，且其分子量为20000~30000g/mole；该小分子定锚剂选自不饱和醚酮类或苯磺酸盐类；该稠化剂选自羧乙基或羧丙基纤维素钠、或聚醣类高分子。5.如权利要求1所述的多层状长循环硅碳负极材料的制造方法，其特征在于：在步骤C中，该研磨机包括研磨片及锆珠，该研磨片以3000~3400rpm的转速转动，锆珠的粒径为0.2~0.4mm，在16~23℃的环境下进行12~16小时的研磨，其中该锆珠与该第一混合体的比例为该锆珠占70~78%wt；且在步骤E中，该研磨机包括研磨片及锆珠，进行研磨的条件为使用粒径为0.6~1.0mm的锆珠，研磨片以2200~2600rpm的转速转动，在18~25℃的环境下进行20~24小时的研磨，其中该锆珠与该第一混合体的比例为该锆珠占70~78%wt。6.如权利要求1所述的多层状长循环硅碳负极材料的制造方法，其特征在于：在步骤F中进行行星式混拌的方式为将该第二混合体置入一行星式混拌机中进行混拌，其中该行星式混拌机包括：一内桶，用于放置该第二混合体，并搅拌该第二混合体；
一外桶，容纳该内桶，该外桶及该内桶之间配置有冷却水，以冷却该内桶内部的该第二混合体，该冷却水外接循环冷却系统，以达到该冷却水循环及热交换的效果；一公转式搅拌器，配置于该内桶内，并外接驱动机构，该公转式搅拌器是用于将该第二混合体做大路径的搅拌，以使得该第二混合体在该内桶内部形成较大区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖鸿政，傅圣育，张曾隆，
申请(专利权)人：芯量科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：