一种硅碳负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅碳负极材料，包括：内核和包覆在内核表面的包覆层，内核的原料包括：纳米硅、碳材料和粘结剂，包覆层的原料为有机裂解碳源。本发明专利技术还公开了上述硅碳负极材料的制备方法，包括如步骤：将纳米硅、碳材料和粘结剂混匀，混捏，压块，再粉碎整形得到内核颗粒；然后用有机裂解碳源包覆前驱体颗粒，再碳化得到硅碳负极材料。本发明专利技术所述硅碳负极材料体积膨胀小、放电容量高、循环性能良好，且制备工艺简单，可实现量产。可实现量产。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及负极材料
，尤其涉及一种硅碳负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]硅负极材料由于较高理论比容量(其中Li22Si5硅理论容量4200mAh/g)，及较低嵌锂电位(硅的嵌锂电位大约0.45V)，成为最有前途的下一代锂离子电池负极材料之一。
[0003]但是，硅直接替代石墨作为负极材料最大问题主要有三各方面：(1)硅是半导体，导电性不好，影响锂在硅颗粒内部的扩散；(2)在嵌锂过程中巨大的体积变化导致颗粒破碎，电极材料之间及材料与集流体之间接触变差，稳定的电极结构遭到破坏，严重影响电池的使用寿命；(3)颗粒破碎将不断产生新鲜表面，导致电极表面与电解液之间的界面膜(SEI)不断加厚，消耗大量的锂，电池容量急剧下降。
[0004]目前主要通过纳米硅与微米级碳材料混合、包覆、碳化获得硅负极材料，但是由于纳米硅与微米级碳材料之间的粒径差异，使制得的硅负极材料，有很多硅并没有被碳材料包覆，而是分布在碳材料的表面，并且现有的制备工艺并不能很好的包覆纳米硅，从而不能很好的抑制硅的体积膨胀，硅负极材料的性能有待提高。

技术实现思路

[0005]基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种硅碳负极材料及其制备方法，本专利技术所述硅碳负极材料体积膨胀小、放电容量高、循环性能良好，且制备工艺简单，可实现量产。
[0006]本专利技术提出了一种硅碳负极材料，包括：内核和包覆在内核表面的包覆层，内核的原料包括：纳米硅、碳材料和粘结剂，包覆层的原料为有机裂解碳源。
[0007]优选地，碳材料为石油焦、针状焦中的至少一种；纳米硅为单晶硅或多晶硅。
[0008]优选地，有机裂解碳源为沥青、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、脲醛树脂、聚乙烯醇中的至少一种；粘结剂为沥青、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、脲醛树脂、聚乙烯醇中的至少一种。
[0009]优选地，内核和有机裂解碳源的重量比为10:0.8
‑
1；纳米硅、碳材料和粘结剂的重量比为2
‑
4:13
‑
17:1。
[0010]优选地，硅碳负极材料的D50粒径为8
‑
20μm；硅碳负极材料的比表面积为1.5
‑
4.2m2/g；硅碳负极材料的压实密度为1.4
‑
1.9g/cm3。
[0011]优选地，硅碳负极材料的比表面积为1.5
‑
3m2/g；优选地，硅碳负极材料的压实密度为1.4
‑
1.8g/cm3。
[0012]优选地，纳米硅的D50粒径为50
‑
500nm；碳材料的D50粒径为3
‑
30μm；有机裂解碳源的D50粒径为1
‑
50μm；粘结剂的D50粒径为1
‑
50μm。
[0013]优选地，纳米硅的D50粒径为100
‑
200nm；优选地，碳材料的D50粒径为5
‑
20μm；优选地，有机裂解碳源的D50粒径为2
‑
10μm；优选地，粘结剂的D50粒径为2
‑
10μm。
[0014]上述D50粒径是指一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。它的物理意义是粒径大于它的颗粒占50％，小于它的颗粒也占50％，D50也叫中位径或中值粒径。D50常用来表示粉体的平均粒度。
[0015]小粒径的纳米硅较难制备，本专利技术选用适宜的方法可以制得小粒径的纳米硅；上述纳米硅可以按照以下方法制得，具体步骤为：将微米级硅粉、分散剂、有机溶剂混匀，在惰性气体的保护下研磨得到纳米硅浆料，然后喷雾干燥得到纳米硅。
[0016]上述分散剂可以为焦磷酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯、聚丙烯酸二羟基苯乙胺等中的至少一种。上述有机溶剂可以为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丙酮、呋喃、酰胺等中的至少一种。
[0017]可以在棒销式砂磨机中进行研磨，棒销式砂磨机的内衬和球磨珠的材质可以陶瓷、氧化锆、玛瑙、耐磨硬质合金等。所述棒销式砂磨机转速可以由变频器控制电机调整转速；研磨时转速可以＞0、≤5000r/min，研磨时间可以为1
‑
10h。
[0018]上述喷雾干燥的热空气进口温度可以为160
‑
300℃，出口温度可以为60
‑
80℃。
[0019]本专利技术提出了上述硅碳负极材料的制备方法，包括：将纳米硅、碳材料和粘结剂混匀，混捏，压块，再粉碎整形得到内核颗粒；然后用有机裂解碳源包覆前驱体颗粒，再碳化得到硅碳负极材料。
[0020]优选地，混捏温度为200
‑
300℃；压块时的压力为25
‑
100Mpa；混捏的时间可以为1
‑
5h。
[0021]优选地，内核颗粒的D50粒径为8
‑
20μm。
[0022]优选地，粉碎整形的具体步骤包括：粗碎、细碎、磨粉、整形；在惰性气体氛围中碳化。
[0023]有益效果：
[0024]1.本专利技术选用特定粒径的纳米硅，其粒径更小，可以极大的降低硅在充放电过程中的绝对体积膨胀，同时提升了动力学，使得锂原子迁移速率提升；
[0025]2.选用纳米硅和微米级碳材料通过混捏、压块、粉碎的方法，可以将纳米硅和微米碳材料紧密的结合在一起，碳化时，可以使得纳米硅和碳材料形成整体，避免纳米硅和微米级碳材料由于粒径差异造成的不能完全包覆纳米硅的问题，从而明显改善硅负极的体积膨胀问题；并且经混捏、压块处理，可以进一步提高碳材料抑制纳米硅在存放电过程中体积膨胀的问题；同时还能提高纳米硅均相分散性，保证电子和锂离子的传输通道和速率；纳米硅和微米级碳材料以适宜比例相互配合，可以进一步提高硅碳负极材料的性能；
[0026]3、选用有机裂解碳源进行包覆，可以改善硅碳负极材料表面的导电性能，并隔离电解液对负极材料的浸蚀，提升硅碳负极材料的长循环和大倍率性能；
[0027]本专利技术可以很好的抑制硅的体积膨胀，并抑制颗粒破碎不断产生新鲜表面，导致电极表面与电解液之间的界面膜(SEI)不断加厚的问题；且本专利技术使用的原料便宜，工艺简单，适合批量生产。
具体实施方式
[0028]下面，通过具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这
些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本专利技术的范围。
[0029]实施例1
[0030]一种硅碳负极材料，包括：内核和包覆在内核表面的包覆层，内核的原料包括：纳米硅、碳材料和粘结剂，包覆层的原料为有机裂解碳源。
[0031]上述硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0032]将微米级单晶硅(纯度＞99％)和分散剂焦磷酸钠加入到甲醇中，混合均匀后，到入内衬本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料，其特征在于，包括：内核和包覆在内核表面的包覆层，内核的原料包括：纳米硅、碳材料和粘结剂，包覆层的原料为有机裂解碳源。2.根据权利要求1所述硅碳负极材料，其特征在于，碳材料为石油焦、针状焦中的至少一种；纳米硅为单晶硅或多晶硅。3.根据权利要求1所述硅碳负极材料，其特征在于，有机裂解碳源为沥青、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、脲醛树脂、聚乙烯醇中的至少一种；粘结剂为沥青、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、脲醛树脂、聚乙烯醇中的至少一种。4.根据权利要求1所述硅碳负极材料，其特征在于，内核和有机裂解碳源的重量比为10:0.8
‑
1；纳米硅、碳材料和粘结剂的重量比为2
‑
4:13
‑
17:1。5.根据权利要求1所述硅碳负极材料，其特征在于，硅碳负极材料的D50粒径为8
‑
20μm；硅碳负极材料的比表面积为1.5
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4.2m2/g；硅碳负极材料的压实密度为1.4
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：慈蒙蒙，刘超，常元钦，何慧娟，王如秀，路鹏飞，江国庆，
申请(专利权)人：合肥国轩新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：