一种低膨胀低电阻率硅碳负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种材料，特别涉及一种低膨胀及低电阻率硅碳负极材料及其制备方法和应用。它包括如下步骤：（1）制备硅铁复合材料；（2）制备硅铁＠碳纳米管复合材料：将硅铁复合材料置于流化床反应器内，通惰性气体保护，通入气体碳源，气体碳源经裂解在硅铁复合材料内填充了一定量的碳纳米管；（3）纯化；（4）制备硬炭改性硅＠碳纳米管复合材料：取一定量改性剂分散于溶剂中，在一定温度条件下，将纯化后硅＠碳纳米管复合材料置于溶剂中进行氧化处理；（5）碳化处理；（6）制粉处理；（7）表面改性。采用本发明专利技术制备的硅碳材料具备明显的颗粒低电阻率及整体结构稳定性，达到硅碳复合材料低膨胀和低电阻率的效果。阻率的效果。阻率的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种低膨胀低电阻率硅碳负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种材料，特别涉及一种低膨胀及低电阻率硅碳负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电动车的续航里程数也逐渐提高，进一步开发出长续航安全性好的锂电池一直是电动车行业健康发展的有利支撑。作为锂离子电池负极材料石墨材料，其成本低，环境友好，充放电电压低，稳定性好成为目前商业化程度最高的负极材料。但石墨材料的优限的比容量，无法满足长续航里程提出的高能量密度电芯要求。
[0003]除石墨负极材料之外，硅基材料由于其具有较高的克容量（4200 mAh/g），是石墨的10 倍左右，成为当下高能量密度锂离子电池首选的负极材料。硅具有较高的电化学嵌锂电位（约0.4 V vs. Li/Li+），高安全性、储量丰富等优点，但也存在严重的劣势：充放电时体积变化严重（约300%），容量衰减迅速；硅的导电性较差，大电流进行充放电时性能不理想。因此，从材料结构本身出发，合理设计硅基负极材料，达到具有低膨胀和低电阻率的材料，仍旧是目前需要深入研究的技术问题因此，本领域亟需开发一种低膨胀低电阻率、制备工艺简单的锂离子电池石墨负极材料。通过一种易于工业化的方式，制备具有低膨胀和低电阻率的硅碳负极材料具有现实的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中硅基材料充放电时严重体积变化（约300%），容量衰减迅速，导电性较差，大电流进行充放电时性能不理想的劣势，而针对性的提供了一种低膨胀低电阻率的硅碳负极材料、制备方法和应用。本专利技术制得的硅碳负极材料具备较低的膨胀和低电阻率，制备工艺简单，易于产业化，原料储量丰富来源有保障，可满足锂离子电池高性能负极材料的特性需求。
[0005]本专利技术提供一种低膨胀低电阻率硅碳负极材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）制备硅铁复合材料：取分散剂、纳米硅粉、纳米铁粉，在搅拌状态下，依次加入乙醇溶剂中，经充分搅拌分散，去除乙醇溶剂，得到硅铁复合材料；（2）硅铁＠碳纳米管复合材料：将硅铁复合材料置于流化床反应器内，通惰性气体保护，在一定温度下，以一定流速通入气体碳源，保持一段时间。气体碳源经裂解在硅铁复合材料内填充了一定量的碳纳米管，得到硅铁＠碳纳米管复合材料；（3）纯化：将硅铁＠碳纳米管复合材料加入浓硝酸中，回流氧化一定时间，并抽滤洗涤至中性，干燥，得到纯化的硅＠碳纳米管复合材料；（4）硬炭改性硅＠碳纳米管复合材料：取一定量改性剂分散于溶剂中，在一定温度条件下，将纯化后硅＠碳纳米管复合材料置于溶剂中进行氧化处理，得到硬炭改性的硅＠
碳复合材料；（5）碳化处理：对硬炭改性的硅＠碳复合材料进行高温热处理，得到硅＠碳复合材料；（6）制粉处理：对高温热处理硅＠碳复合材料采用常用机械物理粉碎法进行粉碎处理，得到一定规格的硅＠碳复合材料粉末；（7）表面改性：对硅＠碳复合材料粉末进行表面气相包覆修饰，得到无定形碳包覆硅＠碳复合材料粉末，进行筛分加工，得到低膨胀低电阻率硅碳负极材料。
[0006]步骤(1)中，所述分散剂为市售化学纯聚乙烯吡咯烷酮（PVP，K30），分散剂加入量为质量比1%
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10%（PVP、纳米硅粉、纳米铁粉质量之和）步骤(1)中，所述的纳米硅粉的中值粒径D50＝30～50nm，为球形或片状，若为球形颗粒，D99＜200nm。所述的纳米铁粉的中值粒径D50＝50～100nm，为球形颗粒，D99＜500nm。
[0007]步骤(1)中，所述的纳米硅粉和铁粉质量比为9.5：0.5～8：2；步骤（1）中，所述搅拌设备为任何能够将物料进行分散搅拌的混料机，转速为10～50r/min，搅拌时间10～30min。
[0008]步骤（1）中，所述去除乙醇溶剂，采用旋转蒸发仪，以将乙醇蒸发去除为准；步骤（2）中，所述流化床反应器为内径50
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100mm的反应器；步骤（2）中，所述惰性气体为氮气，纯度99.9%；碳源气体为CH4、C2H2、C2H4等任何一种与氮气的混合气，混合气的比例为1：1
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1：3，流速为1L/min——3L/min；步骤（2）中，所述一定温度为700℃—900℃；一段时间为30min
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60min；步骤（3）中，所述浓硝酸为市售化学纯，回流氧化时间为3h
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6h，回流温度为80℃
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90℃；步骤（4）中，所述改性剂为各种软化点改质沥青，可以是煤系改质沥青，也可以是石油系改质沥青；步骤（4）中，所述溶剂为轻油、洗油、酚油、萘油中的一种或多种混合剂；步骤（4）中，所述改性剂用量为纯化后硅＠碳纳米管复合材料质量的3%
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8%；步骤（4）中，所述氧化操作为通入空气氧化，空气流速0.5L/min
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3 L/min；步骤（4）中，所述氧化温度为：300℃
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500℃，氧化时间0.5h
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3h；步骤（5）中，所述热处理条件为：以3.0～5.0℃/min由室温升温至500～700℃，恒温0.5h，随后以3.0～5.0℃/min升温至900～1200℃，恒温1～2h，恒温结束后，自然降温至室温。
[0009]作为优选，所述步骤（5）热处理时的高温碳化炉用测温装置包括碳化炉；还包括抽拉式测温组件，抽拉式测温组件包括支架、电动伸缩杆、滑套、温度传感器和盖板，支架安装在碳化炉的左端，电动伸缩杆的左端与支架的左部右端，碳化炉的左端设置有测温孔，滑套与测温孔滑动连接，滑套的左端设置有滑动孔，温度传感器与滑动孔滑动连接，电动伸缩杆的输出端与温度传感器的左端连接，盖板的左端与温度传感器的右端连接。
[0010]更优选地，滑套的内部设置有冷却腔，冷却腔的左端顶部和底部分别设置有出水口和进水口。
[0011]更优选地，测温孔的左端设置有倒角。
[0012]步骤（6）中，所述粉碎设备可以是机械粉碎、气流粉碎中的任何一种，材质可以是不锈钢材质中的任何一种。
[0013]步骤(6)中，所述粉碎料，需过80目筛，取筛下料。
[0014]步骤（7）中，所述气相包覆的气相碳源可以是CH4、C2H2中的任何一种与氮气的混合气；混合气的比例为1：1
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1：3，流速为1L/min——3 L/min；步骤（7）中，所述气相包覆条件为：室温条件下，通氮气保护，氮气气氛的流量0.1～0.8mL/min，以3.0～5.0℃/min由室温升温至700～1000℃，切换混合气，恒温1.5～3.0h，恒温结束后，自然降温至室温。
[0015]步骤(7)中，过筛处理为采用300～350目标准筛，取筛下料，筛下料的中值粒径：D50＝7～15um。
[0016]在符合本领域常识的基础上，上述各条件，可任意组合，即得本专利技术各较佳实例。
[0017]本专利技术所用试剂和原料均市售可得。
[0018]本专利技术同现有技术相比，纳米硅颗粒经原位生长碳纳米管均匀包覆，辅以刚性硬炭材料及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低膨胀低电阻率硅碳负极材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）制备硅铁复合材料：取分散剂、纳米硅粉、纳米铁粉，在搅拌状态下，依次加入乙醇溶剂中，经充分搅拌分散，去除乙醇溶剂，得到硅铁复合材料；（2）制备硅铁＠碳纳米管复合材料：将硅铁复合材料置于流化床反应器内，通惰性气体保护，在一定温度下，以一定流速通入气体碳源，保持一段时间；气体碳源经裂解在硅铁复合材料内填充了一定量的碳纳米管，得到硅铁＠碳纳米管复合材料；（3）纯化：将硅铁＠碳纳米管复合材料加入浓硝酸中，回流氧化一定时间，并抽滤洗涤至中性，干燥，得到纯化的硅＠碳纳米管复合材料；（4）制备硬炭改性硅＠碳纳米管复合材料：取一定量改性剂分散于溶剂中，在一定温度条件下，将纯化后硅＠碳纳米管复合材料置于溶剂中进行氧化处理，得到硬炭改性的硅＠碳复合材料；（5）碳化处理：对硬炭改性的硅＠碳复合材料进行高温热处理，得到硅＠碳复合材料；（6）制粉处理：对高温热处理硅＠碳复合材料进行粉碎处理，得到一定规格的硅＠碳复合材料粉末；（7）表面改性：对硅＠碳复合材料粉末进行表面气相包覆修饰，得到无定形碳包覆硅＠碳复合材料粉末，进行筛分加工，从而得到低膨胀低电阻率硅碳负极材料。2.根据权利要求1所述的一种低膨胀低电阻率硅碳负极材料制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述去除乙醇溶剂，采用旋转蒸发仪，以将乙醇蒸发去除为准。3.根据权利要求2所述的一种低膨胀低电阻率硅碳负极材料制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述流化床反应器为内径50
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100mm的反应器；所述惰性气体为氮气，纯度99.9%；碳源气体为CH4、C2H2、C2H4等任何一种与氮气的混合气，混合气的比例为1：1
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1：3，流速为1L/min
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3L/min；所述一定温度为700℃—900℃；一段时间为30min
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60min。4.根据权利要求3所述的一种低膨胀低电阻率硅碳负极材料制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述浓硝酸为市售化学纯，回流氧化时间为3h
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6h，回流温...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敏锋，杨宇乐，姜志忠，
申请(专利权)人：浙江维思通新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：