一种锂电池硅碳负极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及电池材料领域，尤其涉及一种锂电池硅碳负极材料的制备方法，其包括：S1:采用烷氧基硅烷偶联剂对纳米硅材料进行表面修饰的预处理；S2:使用聚合物单体在经表面修饰的纳米硅材料表面进行原位聚合，得到前驱体；S3:将前驱体在惰性气氛保护下碳化处理，得到硅碳复合材料。烷氧基硅烷偶联剂在纳米硅材料与聚合物单体的界面间起搭桥作用，可保证聚合物单体在纳米硅材料颗粒表面均匀聚合，碳化后可得到结构、颗粒大小、组成等均一性良好的硅碳复合材料。由于聚合物单体的原位聚合，热解碳能更好地缓解硅因体积膨胀产生的机械应力，减少负极材料粉化和崩塌的现象，提高负极材料的导电性，改善负极材料与集流体间的电接触，提高电池的循环稳定性。电池的循环稳定性。电池的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种锂电池硅碳负极材料的制备方法


[0001]本专利技术属于电极材料制备领域，尤其是一种锂电池硅碳负极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着电子设备向小型化、智能化和多功能领域发展，需要锂电池具有更小的体积和更高的输出功率，同时电动汽车的开发需要更大容量、更低成本、更高安全性和稳定性的电池。锂离子电池的性能主要取决于正负极材料，而发展更高能量密度的负极材料是当前的研究重点之一。
[0003]硅基负极材料因具有高的理论容量(4200mAh g
‑1)和较合适的脱
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嵌锂电位(<0.5V)，成为最有希望的高容量负极材料。但是，硅材料在脱/嵌锂过程中，存在着较大的体积膨胀(体积膨胀100％～300％)，这种结构上的膨胀收缩变化破坏了电极结构的稳定性，导致硅颗粒破裂粉化，造成电极材料结构的坍塌和剥落，使电极材料失去电接触，最终导致负极的比容量迅速衰减，使锂电池循环性能变差。2009年，荷兰的《能源》(J Power Sources，2009，第189卷，762页)杂志上报道了硅与碳材料复合，可有效避免Si在充放电过程中的体积膨胀效应，并且碳材料可以提高Si的导电性，改善电极活性物质与集流体的电接触，提高 Si的循环稳定性。
[0004]目前，人们常采用两步法制备Si/C复合纳米材料，即先将Si纳米颗粒分散到有机碳源溶液获得前驱体，随后高温热解碳化获得Si/C复合纳米材料，此种方法制备复合材料的缺点是无法控制复合材料的结构、颗粒大小以及组成，难以保证材料的均一性，从而影响复合负极材料性能的稳定性。有机碳源通常为葡萄糖、蔗糖、柠檬酸等，为了增加硅材料相对有机碳源分散的均匀性，还可能会借助一些表面活性剂(如中国专利CN107204445A、CN107359317A)，表面活性剂通常聚乙二醇、聚丙烯酰胺、硬脂酸、十二烷基硫酸钠、六偏磷酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、乙氧基
‑
丙氧基形成的两性三嵌段聚合物等。表面活性剂是利用分子一端为亲水基团、另一端为疏水基团的特点包裹在悬浮液中颗粒物的表面达到增加颗粒物分散度和分散稳定性。
[0005]该方法中，需将纳米硅粉材料分散在有机溶剂中(用到有机溶剂)，且表面活性剂主要是使悬浮液中颗粒物与颗粒物分开以提高分散度，对有机碳源与硅材料之间不起到特异性地相结合及连接作用，且表面活性剂还会引入硅碳以外的杂质元素。因而，该方法制备的Si/C复合材料的结构、颗粒大小、Si(C)的比例组成等方面的均一性仍显不足。

技术实现思路

[0006](一)要解决的技术问题
[0007]为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种锂电池硅碳负极材料的制备方法，该方法通过加入烷氧基硅烷偶联剂，一方面可在硅材料与高聚物以化学键结合的方式起到桥接作用，提高Si/C复合材料结构、颗粒大小、组成等均一性；另一方面，引入硅碳之外的其他杂质元素，有利于获得良好电化学性能的硅碳负极材料。
[0008](二)技术方案
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：
[0010]一种锂电池硅碳负极材料的制备方法，其包括：
[0011]S1:采用烷氧基硅烷偶联剂对纳米硅材料进行表面修饰的预处理；
[0012]S2:使用聚合物单体在经表面修饰的纳米硅材料表面进行原位聚合，得到硅碳复合材料前驱体；
[0013]S3:将硅碳复合材料前驱体在惰性气氛保护下碳化处理，得到硅碳复合材料。
[0014]作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S1中，将烷氧基硅烷偶联剂与纳米硅材料按照质量比1:9～99在溶剂中混合，所述溶剂为水、甲醇、乙醇、乙二醇等低碳醇质子溶剂。
[0015]优选地，混合时，先将纳米硅材料分散到去离子水中，再加入烷氧基硅烷偶联剂，其中每1g纳米硅材料分散到约10mL的去离子水中并加入0.01～0.11g烷氧基硅烷偶联剂，优选每1g纳米硅材料分散到约10mL 的去离子水水中，然后加入0.01g、0.05g或0.11g烷氧基硅烷偶联剂。
[0016]其中，烷氧基硅烷偶联剂具有如下结构：
[0017][0018]其中，X1、X2、X3独立地为烷氧基，R独立地为与有机聚合物分子有亲和力或反应能力的活性官能团，如烷氧基、巯基、乙烯基、环氧基、酰胺基、氨丙基等。优选地，X1、X2、X3为同一种烷氧基，如同为甲氧基、乙氧基、甲氧基乙氧基；或者X1、X2、X3中部分为甲氧基、部分为乙氧基；其中，R优选为不含S、N的水解性官能基，更优选为乙烯基。
[0019]作为本专利技术一个较佳实施例，所述纳米硅材料为Si或Si与SiO的混合物，其中SiO占纳米硅材料总质量不超过20％。优选地，硅材料的粒径为30～300nm，优选为50～100nm。
[0020]作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S1中，所述烷氧基硅烷偶联剂选自乙烯基三(2
‑
甲氧基乙氧基)硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷及乙烯基三甲氧基硅烷中的一种或几种的混合。
[0021]作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S2中，所述聚合物单体为苯胺、吡咯、丙烯腈中的一种或几种的混合。
[0022]作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S2中，所述纳米硅材料与聚合物单体的用量为质量比1:1～20；优选地按1:4、1:6、1:8。
[0023]作为本专利技术一个较佳实施例，步骤S3中，硅碳复合材料前驱体是在氩气气氛下碳化处理，升温速率1～10℃/min，碳化温度600～1000℃、保温时间为5～15h，冷却后制得硅碳复合材料。
[0024]其中，升温速率优选为2℃/min、5℃/min、6℃/min或10℃/min；碳化温度优选为600℃、800℃、900℃或1000℃；保温时间优选为5h、10h、 12.5h或15h。
[0025]本专利技术还提供一种硅碳负极材料，其采用上述任一实施方案的制备方法制备而成。
[0026](三)有益效果
[0027]本专利技术的有益效果是：
[0028](1)本专利技术的制备方法中，先用烷氧基硅烷偶联剂对纳米硅材料表面进行修饰，烷氧基硅烷偶联剂在溶剂中，其所含的烷氧基水解成硅醇，硅醇可与纳米硅颗粒生成Si
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‑
Si共价键，由于每一烷氧基硅烷偶联剂单体都有三个可水解的烷氧基，三个烷氧基水解后形成的三个硅醇，都能与纳米硅颗粒缩合生成Si
‑
O
‑
Si共价键；经表面修饰预处理后，在纳米硅颗粒的周围紧紧包裹一层烷氧基硅烷偶联剂。然后，将聚合物单体在经过预处理的纳米硅颗粒表面进行原位聚合，烷氧基硅烷偶联剂另一端又与高聚物反应生成共价键或物理缠绕，将高聚物“紧束”在纳米硅颗粒的周围。其中，烷氧基硅烷偶联剂在纳米硅材料与高聚物的界面间起到搭桥作用，可保证纳米硅材料颗粒周围都有足够的高聚物包裹，从而有利于得到结构、颗粒大小、组成等均一性良好的硅碳复合材料。
[0029]优选地，本专利技术使用的烷氧基硅烷偶联剂为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括：S1:采用烷氧基硅烷偶联剂对纳米硅材料进行表面修饰的预处理；S2:使用聚合物单体在经表面修饰的纳米硅材料表面进行原位聚合，得到硅碳复合材料前驱体；S3:将所述硅碳复合材料前驱体在惰性气氛保护下碳化处理，得到硅碳复合材料。2.根据权利要求1所述的一种锂电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，将烷氧基硅烷偶联剂与纳米硅材料按照质量比1:9～99在溶剂中混合，所述溶剂为质子溶剂。3.根据权利要求1所述的一种锂电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述烷氧基硅烷偶联剂选自乙烯基三(2
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甲氧基乙氧基)硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷及乙烯基三甲氧基硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建平，周凯，
申请(专利权)人：无锡硅纳新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：