一种用于锂离子电池负极的硅碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于锂离子电池负极的硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：A)将纳米硅与粘结液混合，得到含硅粘结液；B)将含硅粘结液与石墨材料通过高速剪切湿法造粒，得到前驱体颗粒；C)将所述前驱体颗粒进行高温碳化，得到硅碳复合材料。本发明专利技术利用高剪切湿法造粒技术将纳米硅和石墨材料组装制备成硅碳复合材料。本发明专利技术提供的制备方法简单，利于调控，得到的材料作为锂离子电池负极材料使用具有较高的容量和良好的循环稳定性。有较高的容量和良好的循环稳定性。有较高的容量和良好的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于锂离子电池负极的硅碳复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种用于锂离子电池负极的硅碳复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着电子设备、电动工具、电动汽车等迅猛发展，研究高能效、资源丰富及环境友好的储能材料是人类社会实现可持续性发展的必要条件。锂离子电池具有安全性好、循环寿命长、无记忆效应等优点，逐渐成为大规模储能的首选。
[0003]目前商业化锂离子电池负极多为石墨材料。然而，随着科技高速发展，石墨材料已经不能满足人们的发展需求(理论容量372mAhg
‑1)。如何使锂离子电池拥有更出色的能量密度、功率密度以及循环寿命是迫切需要解决的问题。硅的纳米化是解决锂化反应过程中巨大体积膨胀的有效策略。各种纳米硅负极，如硅纳米颗粒、硅纳米线、硅纳米管、硅纳米片等，已被证明可以缩短锂离子扩散路径，防止电极粉化，显著提高负极容量和循环寿命。然而，纳米硅具有高比表面积和低振实密度，不满足致密化、大质量负载和高面积比容量等实际应用要求。
[0004]将纳米硅与石墨复合是实现硅基材料商业化应用的有效方法。其中，石墨材料不仅颗粒有效抑制硅锂化过程中的体积膨胀，延长硅基材料的循环寿命，还可以提高硅基材料的导电性，促进电子转移。硅与石墨锂化电压区间以及动力学过程也不相同，硅碳复合材料中的石墨组分会受到持续的应力，使得石墨发生解离。并且，硅与石墨体积膨胀存在巨大差异会造成复合材料中石墨组分的容量损失。
[0005]近年来，制备稳定化结构的硅碳复合材料一直是国内外研究热点，Fu
‑
Sheng Li等人将改性后带有相反电荷的纳米硅与天然石墨液相共混，硅和石墨在静电力的作用下组装结合，并最终在材料表面包覆碳及聚合物包覆层。所制备的硅碳复合材料循环200圈之后容量保持率高达95％，显现出稳定的循环性能[LiF,WuY,ChouJ,et al.Adimensionally stable and fast
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discharging graphite
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silicon composite Li
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ion battery anode enabled by electrostatically self
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assembled multifunctionalpolymer
‑
blend coating[J].Chemical Communications,2015,51(40):8429
‑
8431.]。HaimeiLi等人利用高能球磨制备硅碳复合材料，在186mAg
‑1的电流密度下，循环100圈后仍然可以保持约840mAhg
‑
1的比容量[LiH,LiX,Wang D,et al.Scalable synthesis of silicon nanoplate
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decorated graphite for advanced lithium
‑
ion battery anodes[J].Nanoscale,2021,13(5):2820
‑
2824.]。Dongsoo Lee等人将纳米硅、超细石墨片、蔗糖等碳源材料通过喷雾热解、碳源包覆及随后的碳化制备硅碳复合材料，在0.6mAcm
‑2的面电流密度下循环50圈后还可以保持900mAhg
‑1以上的容量[Lee D,Kondo A,Lee S,et al.Controlled swelling behavior and stable cycling of silicon/graphite granular composite for high energy density in lithiumion batteries[J].Journal of Power Sources,2020,457:228021]。但是价格昂贵的原料、复杂的制备工艺，限制了商
业化的实现。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种用于锂离子电池负极的硅碳复合材料及其制备方法，本专利技术提供的制备方法简单，利于调控，得到的材料作为锂离子电池负极材料使用具有较高的容量和良好的循环稳定性。
[0007]本专利技术提供了一种用于锂离子电池负极的硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]A)将纳米硅与粘结液混合，得到含硅粘结液；
[0009]B)将含硅粘结液与石墨材料通过高速剪切湿法造粒，得到前驱体颗粒；
[0010]C)将所述前驱体颗粒进行高温碳化，得到硅碳复合材料。
[0011]优选的，所述粘结液包括粘结剂和溶剂，所述粘结剂选自沥青、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、丁苯橡胶和聚丙烯酸中的一种或多种；所述溶剂选自吡啶、甲苯、N
‑
甲基吡咯烷酮和水中的一种或多种。
[0012]优选的，所述纳米硅尺寸为10～500nm之间，形貌为纳米颗粒、纳米线、纳米片或多孔纳米颗粒。
[0013]优选的，所述石墨材料选自人造石墨、天然石墨、洋葱状碳微球和MCMB中的一种或多种。
[0014]优选的，所述纳米硅与石墨材料的质量比为(3％～50％):(97％～50％)。
[0015]优选的，所述粘结剂的质量为纳米硅与石墨材料总质量的5％～50％。
[0016]优选的，所述溶剂的质量与纳米硅与石墨材料总质量的比例为(0.5～1.5)g：1g。
[0017]优选的，所述高速剪切的速度为500～3000r/min，湿法造粒的搅拌速度为100～800r/min；
[0018]所述前驱体颗粒的粒径为5～200μm。
[0019]优选的，所述高温碳化在惰性气氛条件下进行，温度为800～1200℃，时间为1～4小时。
[0020]本专利技术还提供了一种上述制备方法制备得到的用于锂离子电池负极的硅碳复合材料。
[0021]与现有技术相比，本专利技术提供了一种用于锂离子电池负极的硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：A)将纳米硅与粘结液混合，得到含硅粘结液；B)将含硅粘结液与石墨材料通过高速剪切湿法造粒，得到前驱体颗粒；C)将所述前驱体颗粒进行高温碳化，得到硅碳复合材料。本专利技术利用高剪切湿法造粒技术将纳米硅和石墨材料组装制备成硅碳复合材料。在高剪切力和粘结液的作用下，纳米硅颗粒与石墨组装成结构稳定的复合颗粒。在造粒过程中，粘结液中的粘结剂在造粒过程中会分布在各组分之间以及造粒后颗粒的表面，在高温碳化后会在复合颗粒中形成导电碳网络，不仅促进锂离子转移，而且还可以保持结构整合性。所制备的硅碳复合颗粒具有充分的电子连接和良好的空隙形成，硅和石墨可以在循环过程中均匀地利用在整个电极中。在制备的颗粒中，纳米硅颗粒主要分布于石墨紧密堆积的空隙中，封装在碳网络和石墨形成二级包覆层中，有效的抑制体积膨胀。同时，石墨组分可以通过向扩展区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于锂离子电池负极的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：A)将纳米硅与粘结液混合，得到含硅粘结液；B)将含硅粘结液与石墨材料通过高速剪切湿法造粒，得到前驱体颗粒；C)将所述前驱体颗粒进行高温碳化，得到硅碳复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述粘结液包括粘结剂和溶剂，所述粘结剂选自沥青、聚偏氟乙烯、羧甲基纤维素钠、海藻酸钠、丁苯橡胶和聚丙烯酸中的一种或多种；所述溶剂选自吡啶、甲苯、N
‑
甲基吡咯烷酮和水中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米硅尺寸为10～500nm之间，形貌为纳米颗粒、纳米线、纳米片或多孔纳米颗粒。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石墨材料选自人造石墨、天然石墨、洋葱状碳微球和MCMB中的一种或多种。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海燕，宋怀河，张家鹏，梁雪梅，孙向峰，王雯雯，苗阳，王明清，
申请(专利权)人：北京化工大学兖矿化工有限公司兖矿新能源研发创新中心，
类型：发明
国别省市：