一种高容量锂电池负极材料及其加工工艺制造技术

本申请涉及锂电池负极材料领域，具体公开了一种高容量锂电池负极材料及其加工工艺。高容量锂电池负极材料的加工工艺，包括以下步骤：将碳源和间苯二酚甲醛树脂混合，固化、碳化、粉碎，制得碳材料；将所述碳材料用氢氧化钾进行致孔，制得多孔碳材料；将硅源和去离子水混合，制成硅浆料；将多孔碳材料浸渍在硅浆料内，抽真空，干燥，粉碎，制得负载物；将负载物和氧化石墨烯分散于去离子水中，超声，形成悬浮液，冷冻干燥后分散于无水乙醇中，升温至170

【技术实现步骤摘要】
一种高容量锂电池负极材料及其加工工艺


[0001]本申请涉及锂电池负极材料
，更具体地说，它涉及一种高容量锂电池负极材料及其加工工艺。

技术介绍

[0002]锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池，锂电池大致可以分为两类：锂金属电池和锂离子电池。
[0003]锂离子电池作为一种新型的高能电池，已广泛应用于人们的日常生活中，负极材料作为锂电池的主要组成部分，其性能的好坏直接影响到锂电池的性能。目前石墨作为使用最为广泛的碳基锂电池负极材料，其最高理论比容量为375mAh/g左右，实际比容量更低，循环稳定性难以有效提高。因此急需一种高比容量的负极材料被开发出来代替石墨。
[0004]硅具有高的理论比容量(4200mAh/g)，且含量丰富，被认为是极具潜力的负极材料，但由于硅具有较低的导电率且在充放电过程，因其具有高膨胀率而易导致负极材料极易粉化从而影响负极材料高容量的发挥。
[0005]目前针对硅基负极材料的研究主要是将硅粉与碳源材料进行球磨混合后热解，以制备硅－碳复合材料，以缓解电池充放电过程中的体积膨胀现象，提高硅基材料的循环性能，如现有技术中，申请号为CN110380029A的中国专利技术专利申请文件，公开了采用银作为催化剂诱导化学腐蚀的方法制得三维多孔硅材料，然后与碳源通过球磨的方法进行混合、烧结后得到碳包覆的硅碳材料，还有现有技术中，申请号为CN107565115A的中国专利技术专利申请文件，公开了采用一氧化硅在氩气条件下进行烧结，利用自身的歧化反应生成硅和二氧化硅，然后通过刻蚀的方法制备出多孔硅，最后将得到的混合物与碳源按一定质量比混合均匀后焙烧。
[0006]针对上述中的相关技术，专利技术人发现目前的硅碳负极材料制备方法中，采用贵金属作为催化剂、一氧化硅作为原料成本均较高，而且稳定性较好，对于改善充放电时硅的体积膨胀现象并不明显。

技术实现思路

[0007]为了使含有硅碳的负极材料同时具有硅类材料的高储锂特性和碳链材料的高循环稳定性，抑制硅的体积膨胀，提高负极材料的比容量和循环寿命，本申请提供一种高容量锂电池负极材料及其加工工艺。
[0008]第一方面，本申请提供一种高容量锂电池负极材料的加工工艺，采用如下的技术方案：一种高容量锂电池负极材料的加工工艺，包括以下步骤：碳源预处理：将碳源和间苯二酚甲醛树脂混合，固化、碳化、粉碎，制得碳材料；碳材料致孔：将所述碳材料用氢氧化钾进行致孔，制得多孔碳材料；硅源分散：将硅源和去离子水混合，制成硅浆料；
真空浸渍：将所述多孔碳材料浸渍在所述硅浆料内，抽真空至100Pa以下，保持5
‑
10min，循环浸渍2
‑
4次，干燥，粉碎，制得负载物；负载物包覆：将负载物和氧化石墨烯分散于去离子水中，超声，形成悬浮液，冷冻干燥后分散于无水乙醇中，升温至170
‑
180℃，反应2
‑
2.5h，干燥。
[0009]通过采用上述技术方案，将碳源用间苯二酚甲醛树脂作为粘结剂，共混固化后，制成碳材料，氢氧化钾与碳材料中的碳反应发生刻蚀作用，金属钾有效的插入到碳材料的碳晶格中，使得碳晶格膨胀，从而产生多孔结构，然后将多孔碳材料和硅浆料混合后，在真空下浸渍，使多孔碳材料当做导电框架，负载硅源，以降低电子和锂离子在传输过程中的阻力，而且真空循环浸渍，能增加硅源与多孔碳材料的负载牢固程度，以防硅材料在脱嵌锂过程中产生体积变化而从多孔碳材料中脱离，最后用氧化石墨烯在负载物上包覆，瞬时的冷冻干燥，能将负载物和氧化石墨烯保持高度分散状态，真空状态下的低温升华干燥可以使氧化石墨烯轻微收缩并卷曲，形成用于装载和包裹负载物的三维结构，在负载物和氧化石墨烯分散在乙醇中以后，在热处理过程中，氧化石墨烯被还原为石墨烯，在π
‑
π键堆叠作用的驱动下，石墨烯可以进一步收缩、交联和卷曲，形成更紧密的三维包覆结构，最终形成类似气凝胶的腔体结构，使负载物完全被石墨烯包裹，三维包覆结构中的纳米孔和负载物之间以及负载物与三维包覆结构中石墨烯片之间的纳米空间，可以加速电子和离子的快速转移，并为硅材料的体积变化提供缓冲空间，以石墨烯作为碳包覆层，能进一步缓解复合材料在脱嵌锂过程中的体积变化效应，还可以充当电解质与硅之间的阻挡层，有效缓解电解质与纳米硅颗粒发生副反应带来的不利影响，有利于形成稳定的SEI膜，从而使电池的性能得到改善。
[0010]可选的，所述负载物、氧化石墨烯和去离子水的质量比为1:0.3
‑
0.5:200
‑
250。
[0011]通过采用上述技术方案，石墨烯具有优越的导电性和化学稳定性，通过与冷冻干燥和溶剂热处理发，使得氧化石墨烯和负载物被瞬间冻结在结晶点温度一下，然后在真空低温状态下升华干燥，提高负载物与氧化石墨烯的分散度，溶剂热反应则使氧化石墨烯还原为石墨烯，进一步改善石墨烯薄片的卷曲和收缩，从而形成更加紧密的包覆结构，将硅材料束缚在包覆结构内，防止硅材料因体积变化而发生膨胀，导致负极材料易粉化，循环稳定性下降。
[0012]可选的，所述碳源和硅源的质量比为3
‑
6:1；所述碳源和间苯二酚甲醛树脂的质量比为3
‑
6:1
‑
2。
[0013]通过采用上述技术方案，以上碳源和间苯二酚甲醛树脂的比例，能将碳源紧密结合在一起，便于形成结构紧密的碳材料，从而便于致孔，更有利于硅浆料和负载；碳源和硅源以上述质量比混合，以碳源为主要导电物质，以硅源改善负极材料的比容量，从而制成比容量高的负极材料。
[0014]可选的，所述硅浆料中添加有粘结剂，粘结剂与硅源的质量比为0.12
‑
0.14:1。
[0015]通过采用上述技术方案，在硅浆料中添加粘结剂，能将硅源牢固的黏合在多孔碳材料上，使得硅源在随着锂离子嵌入、脱出而产生的剧烈的体积变化过程中，有效阻止硅与多孔碳材料失去接触，从而造成容量的快速衰减。
[0016]可选的，所述粘结剂包括羧甲基纤维素和羧甲基纤维素钠的质量比为1:0.9
‑
1。
[0017]通过采用上述技术方案，羧甲基纤维素通过羧基与围绕硅源表面的羟基进行缩
合，产生强共价键，形成稳定的化学连接，减少锂化/去锂化过程中硅活性颗粒的脱落和粉碎，改善电池循环特性，羧甲基纤维素那与硅源和集流体之间的粘结力较强，使得锂离子电池具有较高的比容量，二者配合作用，能使负极材料不仅具有较高的初始比容量，还具有较好的循环特性。
[0018]可选的，所述硅浆料中含有多壁碳纳米管，多壁碳纳米管与硅源的质量比为0.05
‑
0.1:1。
[0019]通过采用上述技术方案，多壁碳纳米管具有超高导电性和良好的力学性能，在硅浆料中添加多壁碳纳米管，经过真空浸渍后，填充到多孔碳材料，多壁碳纳米管能通过吸附作用均匀分布在多孔碳材料上，从而对硅源起到导电骨架的作用，不仅可以增强硅源的导电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高容量锂电池负极材料的加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：碳源预处理：将碳源和间苯二酚甲醛树脂混合，固化、碳化、粉碎，制得碳材料；碳材料致孔：将所述碳材料用氢氧化钾进行致孔，制得多孔碳材料；硅源分散：将硅源和去离子水混合，制成硅浆料；真空浸渍：将所述多孔碳材料浸渍在所述硅浆料内，抽真空至100Pa以下，保持5
‑
10min，循环浸渍2
‑
4次，干燥，粉碎，制得负载物；负载物包覆：将负载物和氧化石墨烯分散于去离子水中，超声，形成悬浮液，冷冻干燥后分散于无水乙醇中，升温至170
‑
180℃，反应2
‑
2.5h，干燥。2.根据权利要求1所述的高容量锂电池负极材料的加工工艺，其特征在于：所述负载物、氧化石墨烯和去离子水的质量比为1:0.3
‑
0.5:200
‑
250。3.根据权利要求1所述的高容量锂电池负极材料的加工工艺，其特征在于，所述碳源和硅源的质量比为3
‑
6:1；所述碳源和间苯二酚甲醛树脂的质量比为3
‑
6:1
‑
2。4.根据权利要求1所述的高容量锂电池负极材料的加工工艺，其特征在于，所述硅浆料中添加有粘结剂，粘结剂与硅源的质量比为0.12
‑
0.14:1。5.根据权利要求4所述的高容量锂电池负极材料的加工工艺，其特征在于，所述粘结剂包...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓威，
申请(专利权)人：青岛华腾石墨科技有限公司，
类型：发明
国别省市：