一种硅碳复合负极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种硅碳复合负极材料的制备方法，将针状焦、石墨与硅材料加入溶剂中，或者将针状焦与硅材料加入溶剂中，超声分散后再加入葡萄糖进行搅拌；将混合物进行烘干处理及高温处理，葡萄糖炭化后得到硅碳复合负极材料。本发明专利技术中，针状焦不经过高温石墨化处理直接用于制备硅碳复合负极材料，与采用石墨化针状焦材料的技术相比，本发明专利技术中的针状焦层间距较大，用于锂离子电池中没有明显的充放电平台，可逆容量高于石墨化材料；另外，针状焦不经石墨化处理，还可大幅度降低负极材料的制备成本。本。本。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合负极材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及能源材料制备
，尤其涉及一种硅碳复合负极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]针状焦作为一类新型的锂离子电池的负极碳材料，具有各向异性、易于石墨化、电导率高、灰分低、热膨胀系数小、开发前景好及成本低等优点，是锂离子电池负极材料中的一种重要材料。针状焦用于锂离子电池负极材料还存在一些缺点，如针状焦表面易与电解液发生不可逆反应造成充放电效率的降低、因溶剂共嵌入引起的电池可逆容量降低、材料体积膨胀、循环性能差等，寻求新的方法来改善这些状况是现阶段行业内急需开展的工作。
[0003]目前，将针状焦材料用于锂离子电池负极材料的方法主要包括以下两种：
[0004]第一种方法为针状焦与其他碳材料及粘结剂复合；如申请号为CN201710799032.6的中国专利申请公开的“一种锂离子电池负极材料的制备方法”，针状焦与鳞片石墨在沥青粘结剂作用下经过造粒和石墨化过程，制备锂离子电池负极材料；申请号为CN201711242456.9的中国专利申请公开的“一种固体沥青低温包覆制备负极材料的方法”，用沥青包覆针状焦材料，经过粉碎及石墨化的过程制备锂离子电池负极材料；申请号为CN201810760354.4、CN202110055379.6及CN201811551844.X的中国专利申请，将粉碎后的针状焦材料与沥青混合后，经过炭化、石墨化过程制备锂离子电池负极材料。上述技术方案主要是利用针状焦与其他碳材料或粘结剂复合、再经过石墨化的过程，改善针状焦在锂离子电池负极材料中的电化学性能，但是石墨化过程提高了材料的制备成本，材料的容量也受到了较大的限制。
[0005]因此，近年来出现了第二种方法，即将针状焦与硅材料进行复合，例如申请号为CN201811648096.7的中国专利申请公开的“一种锂离子电池用高能量密度与高功率密度负极材料”，将针状焦等软碳材料与纳米硅、碳纳米管进行搅拌混合，制备一种“猕猴桃”结构的硅碳复合材料；申请号为CN201910300113.6的中国专利申请公开的“一种锂离子电池硅基负极材料的制备方法”，将刻蚀后的软碳材料与球磨后的硅材料进行复合，在沥青等粘结剂的作用下形成硅碳复合负极材料。但是上述制备方法普遍存在原料成本高、制备工艺复杂、设备要求高、过程条件苛刻、污染严重(大量使用HF或产生副产物)、批量生产困难等问题，或是性能无法满足商业需求，无法实现产业化生产。
[0006]综上所述，目前急需一种过程简单、清洁、电化学性能优异的材料制备方法，能够将针状焦材料应用于锂离子电池负极材料中。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种硅碳复合负极材料的制备方法，针状焦不经过高温石墨化处理直接用于制备硅碳复合负极材料，与采用石墨化针状焦材料的技术相比，本专利技术中的针状焦层间距较大，用于锂离子电池中没有明显的充放电平台，可逆容量高于石墨化材料；另
外，针状焦不经石墨化处理，还可大幅度降低负极材料的制备成本。
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案实现：
[0009]一种硅碳复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0010](1)将针状焦、石墨与硅材料加入溶剂中，或者将针状焦与硅材料加入溶剂中，超声分散后再加入葡萄糖进行搅拌；
[0011](2)将步骤(1)制得的混合物进行烘干处理，得到硅碳复合负极材料的前驱体；
[0012](3)将步骤(2)得到的硅碳复合负极材料的前驱体进行高温处理，葡萄糖炭化后得到硅碳复合负极材料。
[0013]所述针状焦的形貌为块状、片状、颗粒状或多孔状；针状焦的粒度为纳米级、微米级或毫米级；硅碳复合负极材料的前驱体中，针状焦含量为10wt％～90wt％。
[0014]所述硅材料为非晶硅、单晶硅或多晶硅中任意一种或至少两种的组合；硅材料的形貌为片状、颗粒状、线状、棒状或多孔状；硅材料的粒度为纳米级、微米级或毫米级；硅碳复合负极材料的前驱体中，硅材料含量为1wt％～30wt％。
[0015]所述石墨的形貌为片状或颗粒状；石墨的粒度为纳米级、微米级或毫米级；硅碳复合负极材料的前驱体中，石墨含量为0～50wt％。
[0016]所述溶剂为去离子水、无水乙醇或乙醇的水溶液；超声分散处理时间为0.5h～20h。
[0017]所述葡萄糖为葡萄糖水溶液，浓度为1mg/ml～1.5g/ml；所述硅碳复合负极材料的前驱体中，葡萄糖的含量为1wt％～40wt％。
[0018]所述步骤(1)中，搅拌时间为0.5h～20h；所述步骤(2)中，烘干处理为常温蒸发或烘箱干燥，烘干处理的时间为0.5～50h。
[0019]所述步骤(3)中，高温处理是在高温炉中，于惰性气体保护下进行加热炭化处理；高温炉采用固定床或流化床；惰性保护气体为氮气、氩气、二氧化碳气中的任意1种或至少2种的组合；加热温度为400～1200℃，加热时间为0.5～24h。
[0020]所述硅碳复合负极材料的形貌为片状、球形或无规则颗粒状，粒径为10nm～20μm；硅碳复合负极材料中硅的含量为1wt％～30wt％。
[0021]所制备的硅碳复合负极材料用作锂离子电池负极材料和/或光电材料。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0023]1)针状焦不经过高温石墨化处理直接用于制备硅碳复合负极材料，与采用石墨化针状焦材料的技术相比，本专利技术中的针状焦层间距较大，用于锂离子电池中没有明显的充放电平台，可逆容量高于石墨化材料；
[0024]2)针状焦不经石墨化处理，大幅度降低了负极材料的制备成本；
[0025]3)本专利技术以针状焦、石墨、硅材料为原料，以葡萄糖为粘结剂，通过超声搅拌处理，使得硅碳材料均匀混合，再经过炭化过程，利用葡萄糖炭化后生成的硬碳材料将针状焦、石墨与硅材料复合形成硅碳复合材料；制备工艺简单，过程清洁，且生产成本低，适宜于规模化生产；
[0026]4)硅碳复合负极材料中针状焦、石墨与硅材料炭化后的材料可以缓解硅在充放电过程中因体积膨胀和收缩产生的机械应力，消除体积效应；同时大大增加硅碳复合负极材料的导电性能；
[0027]5)硅碳复合负极材料具有良好的导电性，有利于充放电过程中锂离子扩散，利于快速充放电过程，并提高了材料的比容量和循环稳定性，在首次充电过程中能够优化固体电解质膜的质量和结构，实现降低首次不可逆容量；
[0028]6)通过改变针状焦、硅材料及石墨的比例，能够得到不同硅碳比例的硅碳复合负极材料，应用于锂离子电池负极材料，可具有不同的比容量及不同的电化学性能；
附图说明
[0029]图1为本专利技术实施例1所使用针状焦的SEM图。
[0030]图2为本专利技术实施例1所使用硅材料的SEM图。
[0031]图3为本专利技术实施例1所使用石墨的SEM图。
[0032]图4为本专利技术实施例1所制得硅碳复合负极材料的SEM图。
[0033]图5为本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将针状焦、石墨与硅材料加入溶剂中，或者将针状焦与硅材料加入溶剂中，超声分散后再加入葡萄糖进行搅拌；(2)将步骤(1)制得的混合物进行烘干处理，得到硅碳复合负极材料的前驱体；(3)将步骤(2)得到的硅碳复合负极材料的前驱体进行高温处理，葡萄糖炭化后得到硅碳复合负极材料。2.根据权利要求1所述的一种硅碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述针状焦的形貌为块状、片状、颗粒状或多孔状；针状焦的粒度为纳米级、微米级或毫米级；硅碳复合负极材料的前驱体中，针状焦含量为10wt％～90wt％。3.根据权利要求1所述的一种硅碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述硅材料为非晶硅、单晶硅或多晶硅中任意一种或至少两种的组合；硅材料的形貌为片状、颗粒状、线状、棒状或多孔状；硅材料的粒度为纳米级、微米级或毫米级；硅碳复合负极材料的前驱体中，硅材料含量为1wt％～30wt％。4.根据权利要求1所述的一种硅碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述石墨的形貌为片状或颗粒状；石墨的粒度为纳米级、微米级或毫米级；硅碳复合负极材料的前驱体中，石墨含量为0～50wt％。5.根据权利要求1所述的一种硅碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述溶剂为...

【专利技术属性】
技术研发人员：高源，夏晶，李枢相，王艳红，李琼光，苏发兵，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：