一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法技术

一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法，负极材料为包括内核以及包覆在内核表面的外壳形成的核壳结构，内核为硅氧/碳纳米管/无定形碳A组成的复合体，外壳为无定形碳B，内核与外壳的质量比（90～99）：（1～10），外壳厚度为10～500nm；制备时，先将硅氧材料、碳纳米管、聚合物材料及其添加剂混合均匀，对其进行压块处理，之后在惰性气氛下进行碳化处理，再进行粉粹，添加催化剂，通过化学气相沉积法在其表面沉积无定形碳层。本发明专利技术通过在内核中掺杂碳纳米管及其无定形碳包覆硅氧，降低膨胀，提升材料的导电率，同时在外层再包覆一层致密度更高的碳层，发挥双碳层的协同效应，降低膨胀的同时提升材料的倍率性能。同时提升材料的倍率性能。同时提升材料的倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料制备领域，具体涉及一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]硅碳材料以其能量密度高、材料来源广泛等优点而成为下一代高能量密度锂离子电池的首选材料，但是其材料自身导电率差、首次效率低及其充放电过程中膨胀大，造成其循环性能差、倍率性能差，而提高硅碳材料导电性的措施之一是通过在材料表面掺杂，包覆，提高材料的导电性，提高其快充性能，但是材料的膨胀仍然较大，这回会影响其电池的循环性能及其电池成组。
[0003]目前降低硅碳材料膨胀的措施有很多，比如材料的纳米化，多孔硅碳、掺杂力学强度高的碳纳米管等。但是，纳米硅碳存在材料活性强，造成其首次效率较低、安全性能偏差及其循环性能后期性能恶化，电池容易跳水等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法，通过在内核中掺杂碳纳米管及其无定形碳包覆硅氧，降低膨胀，提升材料的导电率，同时在外层再包覆一层致密度更高的碳层，发挥双碳层的协同效应，降低膨胀的同时提升材料的倍率性能。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：一种锂离子电池用硅碳负极材料，所述负极材料为核壳结构，包括内核以及包覆在内核表面的外壳，其中，内核为硅氧/碳纳米管/无定形碳A组成的复合体，外壳为无定形碳B，内核与外壳的质量比（90～99）：（1～10），外壳的厚度为10～500nm。
[0006]进一步地，所述复合体中硅氧、碳纳米管和无定形碳A的质量比为（60～80）：（1～5）：（20～40）。
[0007]进一步地，所述无定形碳A由聚合物碳化裂解形成。
[0008]进一步地，所述无定形碳B由碳氢化合物裂解形成。
[0009]进一步地，所述外壳含有由0.01～0.5wt%的催化剂，催化剂为纳米铁、纳米钴、纳米镍及铁的氯化物、钴的氯化物或镍的氯化物中的一种多多种。
[0010]一种锂离子电池用硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：（1）硅碳前驱体A的制备：按照质量比60～80：1～5：20～40：0.5～2称取硅氧、碳纳米管粉体、聚合物材料及添加剂，球磨12～72h，在10
‑
25MPa压力下进行压块，并在惰性气氛下加热到300～600℃进行融融碳化，得到硅碳前驱体A；（2）硅碳负极材料的制备：取硅碳前驱体A粉碎至粒度为1～10μm，添加0.1～1wt%的催化剂粉体混合均匀，之后转移到管式炉中，并在惰性气氛下升温到700～1000℃，通入碳源气体进行化学气相沉积
1～12h，之后停止通碳源气体改通惰性气体降温，粉碎即得硅碳负极材料。
[0011]进一步地，步骤（1）中球磨条件为：球料比为（20～40）:（60～80），转速为40～80rpm。
[0012]进一步地，步骤（1）中，聚合物材料为煤沥青、煤焦油、酚醛树脂、环氧树脂、糠醛树脂、聚丙烯腈中的一种或多种。
[0013]进一步地，步骤（1）中，添加剂为氯化铁、碳化硅、碳化硼、氧化钒中的一种或多种，粒度D50为1～10
µ
m。
[0014]进一步地，步骤（2）中，碳源气体为甲烷、乙炔、乙烯中的任意一种。
[0015]本专利技术的有益效果：1.本专利技术的硅碳负极材料通过在内核中掺杂碳纳米管及其无定形碳包覆硅氧，降低了材料的膨胀，提升了材料的导电率，同时在外层再包覆一层致密度更高的碳层，发挥双碳层的协同效应，降低材料膨胀的同时提升了材料的倍率性能。
[0016]2.本专利技术的硅碳负极材料在制备过程中保证了内核硅氧、碳纳米管、无定型碳的粘接强度以及分散均匀性，提升了振实密度及其电子导电性，进一步降低硅氧在充放电过程中的体积膨胀效应，同时碳纳米管在无定形碳中均匀分散形成网络结构，降低硅氧膨胀的同时提升材料的电子导电率。
[0017]3.本专利技术的硅碳负极材料在制备过程中采用气相沉积法在其外壳表面沉积的碳层具有致密度高、导电率强的特性，利用在硅碳材料包覆一层柔韧性好的、由聚合物材料碳化后形成的无定形碳与气体裂解后形成的无定形碳之间的协同作用，一方面可以束缚充放电过程中硅碳的初始膨胀和循环膨胀，另一方面，在最外层沉积致密度的碳层可以阻止电解液直接与内核硅的接触，提升材料的循环及功率性能。
附图说明
[0018]图1为实施例1所制备硅碳负极材料的SEM图。
具体实施方式
[0019]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0020]实施例1（1）硅碳前驱体A的制备：称取70g硅氧材料、3g碳纳米管粉体材料，27g煤沥青及其1g氯化铁材料（粒度D50=5
µ
m），并按照球料比为30:70，速度为60rpm进行球磨48h，之后转移到压块机中采用压力为20MPa的压力进行压块，并在氩气惰性气氛下加热到500℃进行融融碳化，得到硅碳前驱体A。
[0021]（2）硅碳负极材料的制备：将得到的100g硅碳前驱体A进行粉碎，粉碎到粒度为5μm，并添加0.5g的纳米铁催化剂粉体混合均匀后，之后转移到管式炉中，并在氩气惰性气氛下升温到800℃，并通入甲烷碳源气体进行化学气相沉积6h，之后停止通碳源气体改通氩气惰性气体降温、粉碎，得到
硅碳负极材料。
[0022]图1为该实施例所制备硅碳负极材料的SEM图。
[0023]实施例2（2）硅碳前驱体A的制备：称取60g硅氧材料、1g碳纳米管粉体材料，39g酚醛树脂及其0.5g碳化硅材料（D50=1
µ
m），并按照球料比为20: 80，速度为40rpm进行球磨72h，之后转移到压块机中采用压力为10MPa的压力进行压块，并在氩气惰性气氛下加热到300℃进行融融碳化，得到硅碳前驱体A。
[0024]（2）硅碳负极材料的制备：将得到的100g硅碳前驱体A进行粉碎，粉碎到粒度为1μm，并添加0.1g纳米钴（粒径为10nm）的催化剂粉体混合均匀后，之后转移到管式炉中，并在氩气惰性气氛下升温到700℃，并通入乙炔碳源气体进行化学气相沉积12h，之后停止通碳源气体改通惰性气体降温、粉碎，得到硅碳负极材料。
[0025]实施例3（1）硅碳前驱体A的制备：称取80g硅氧材料、5g碳纳米管粉体材料，15g聚丙烯腈材料及其2g碳化硼材料（D50=10
µ
m），并按照球料比为40:60，速度为80rpm进行球磨12h，之后转移到压块机中采用压力为25MPa的压力进行压块，并在氩气惰性气氛下加热到600℃进行融融碳化，得到硅碳前驱体A。
[0026]（2）硅碳负极材料的制备：将得到的100g硅碳前驱体A进行粉碎，粉碎到粒度为10μm，并添加1g的纳米镍（粒径500nm）催化剂粉体混合均匀后，之后转移到管式炉中，并在氩气惰性气氛下升温到1000℃本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池用硅碳负极材料，其特征在于，所述负极材料为核壳结构，包括内核以及包覆在内核表面的外壳，其中，内核为硅氧/碳纳米管/无定形碳A组成的复合体，外壳为无定形碳B，内核与外壳的质量比（90～99）：（1～10），外壳的厚度为10～500nm。2.如权利要求1所述的一种锂离子电池用硅碳负极材料，其特征在于，所述复合体中硅氧、碳纳米管和无定形碳A的质量比为（60～80）：（1～5）：（20～40）。3.如权利要求1所述的一种锂离子电池用硅碳负极材料，其特征在于，所述无定形碳A由聚合物碳化裂解形成。4.如权利要求1所述的一种锂离子电池用硅碳负极材料，其特征在于，所述无定形碳B由碳氢化合物裂解形成。5.如权利要求1所述的一种锂离子电池用硅碳负极材料，其特征在于，所述外壳含有由0.01～0.5wt%的催化剂，催化剂为纳米铁、纳米钴、纳米镍及铁的氯化物、钴的氯化物或镍的氯化物中的一种多多种。6.如权利要求1
‑
5任一项所述锂离子电池用硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）硅碳前驱体A的制备：按照质量比60～80：1～5：20～40：0.5～2称取硅氧、碳纳米管粉体、聚合物材料及...

【专利技术属性】
技术研发人员：高贵华，贺霄飞，
申请(专利权)人：洛阳联创锂能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：