一种高性能硅碳复合石墨材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能硅碳复合石墨材料的制备方法，具体步骤如下：1）将石墨材料、硅材料、粘结剂进行研磨、过筛；2）将过筛后的石墨材料、硅材料、粘结剂投入高速混合机混合均匀后，放入模具内压制成锭；3）将该步骤2）所获得锭在惰性气体中进行热处理碳化，冷却至室温后再将其粉碎、研磨、混合过筛磁选，即得到高性能硅碳复合石墨材料。本发明专利技术方法改善了硅材料在充放电过程中存在较大的体积变化，导致材料粉化、结构坍塌的问题，同时提升首次效率的效果。本发明专利技术方法采用的硅材料、石墨材料和粘结剂为容易取得，粒径微米级且适合大批量生产工艺，利于商业化。利于商业化。利于商业化。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能硅碳复合石墨材料的制备方法


[0001]本专利技术属于锂电池负极材料
，具体是涉及一种高性能硅碳复合石墨材料的制备方法。

技术介绍

[0002]随着现代社会的发展，锂电池给人们的生活带来诸多便利，而人们对电池能量密度的需求也越来越高。从3C产品、电动工具、电动汽车再到储能系统等各种应用均对电池的性能不断提出新要求，电池材料比容量的提升是解决上述问题的重要一环。
[0003]目前商业化的锂离子电池负极材料仍以传统石墨负极材料为主，其实际比容量已经接近372mAh/g的理论值，再想要提升已非常困难。因此急需开发新体系的负极材料。硅具有最高比容量(4200mAh/g)和适中的电压平台(～0.4VvsLi/Li
+
)，是具有较好应用前景的新型负极材料，已经成为新的研究热点。但是硅负极材料在充放电过程中由于锂离子的迁入和迁出，使硅负极材料从铜箔基材因膨胀过大，导致材料粉化、结构坍塌，进而从集流体脱落，导致循环寿命快速下降，表现为充放电循环过程中的比容量急剧衰减。而且现有的硅碳负极材料使用的硅材料，要求纯度高且绝大部份都需研磨到粒径200nm以下，优选粒径50
‑
100nm，导致产量极低，研磨设备要求高，成本高，严重引响锂电池在提升能量密度的阻碍。因此需要提供一种能够解决上述问题的高性能硅碳复合石墨材料的制备方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种高性能硅碳复合石墨材料的制备方法，改善硅材料在膨胀中导致材料粉化的问题，同时利用碳材料导电性能的优点，解决硅材料在锂电池中首次效率偏低的问题，采用的硅材料和石墨材料和粘结剂为容易取得，粒径微米级且适合大批量生产工艺，利于商业化。
[0005]一种高性能硅碳复合石墨材料的制备方法，具体步骤如下：1）将石墨材料、硅材料、粘结剂进行研磨、过筛；2）将过筛后的石墨材料、硅材料、粘结剂投入高速混合机混合均匀后，放入模具内压制成锭；3）将该步骤2）所获得锭进行热处理碳化，冷却至室温后再将其粉碎、研磨、混合过筛磁选，即得到高性能硅碳复合石墨材料。
[0006]优选的，所述步骤1）中石墨材料为人造石墨、中间相碳微球中的至少一种，过筛后粒径为2
‑
55um。
[0007]优选的，所述步骤1）中硅材料为硅、一氧化亚硅、一碳化硅中的至少一种，过筛后粒径为5
‑
30um。
[0008]优选的，所述步骤1)中粘结剂为石油沥青、煤沥青、酚醛树脂中的至少一种，过筛后粒径为2
‑
10um。
[0009]优选的，所述步骤2)中石墨材料、硅材料、粘结剂的质量比为1
‑
1.2:4.8
‑
5.5:1.8
‑
2.4。
[0010]优选的，所述步骤3）中热处理升温速度为1
‑
10℃/min，热处理温度800
‑
1200℃，时间1
‑
15小时。
[0011]优选的，所述步骤3）中惰性气体为氩气、氮气中的至少一种。
[0012]优选的，所述步骤3）中高性能硅碳复合石墨材料粒径为5
‑
40um。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术提供了一种高性能硅碳复合石墨材料的制备方法，由于石墨及粘结剂把硅材料完整包覆起来，填补了硅材料表面凹凸不平，使其跟PVDF胶可以更好的粘黏在铜箔基材上，改善了硅材料在充放电过程中存在较大的体积变化，导致材料粉化、结构坍塌的问题，同时经过石墨及粘结剂利用压力把硅材料完整紧密的封闭在石墨颗粒里面，使得外层有很厚的无定型碳均匀且紧密包覆，把硅材料经过研磨导致表面的缺陷给填平，从而达到提升首次效率的效果。本专利技术方法采用的硅材料、石墨材料和粘结剂为容易取得，粒径微米级且适合大批量生产工艺，利于商业化。
附图说明
[0014]图1为本专利技术实施例和对比例剥离强度示意图。
实施方式
[0015]下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细说明
实施例
[0016]取平均粒径14.3um的人造石墨粉200g，和平均粒径11.7um的中间相碳微球粉末100g，搭配平均粒径5.8um的硅粉500g，及平均粒径2.1um的沥青粉200g，投入VC高速混合机，混合30分钟，将混合出来的投入模具内，利用油压机将其模具内的粉末压成锭，进行高温碳化热处理，其热处理升温速度为5℃/min 至温度1050℃，持温3小时后冷却至室温，利用气流研磨机粉碎到平均粒径12um，过筛到控制最大粒径40um以下，得到含有硅碳复合石墨材料A1。
[0017]对比例：取原始硅粉平均粒径5.8um，当做对比例A2。
[0018]电池负极材料涂布：1.先将0.1wt%微量草酸与10wt%之黏结剂聚偏氟乙烯，混入N－甲基呲咯烷酮溶剂中，均匀搅拌20分钟，使得该聚偏氟乙烯均匀分散于该溶剂的混合液中。
[0019]2.将石墨复合材A1、A2粉末置入搅拌均匀的混合液，持续搅拌20分钟。
[0020]3.该混合液形成泥浆状物，以130um刮刀均匀涂布在一铜箔上，以100℃烘干去除残留溶剂，以25％的碾压率进行碾压，再以150℃烘干。
[0021]电池组装：1.将涂布完整的负极极片裁成直径13mm的圆板，正极则采用锂金属箔片。
[0022]2.将硬币形电池所需的组件，于干燥气氛控制室中依序组装，并添加一电解质液（1M锂六氟磷酸盐（LiPF6）(溶质)－碳酸乙烯酯（EC）/碳酸甲乙酯（EMC）(溶剂)（Volume 1:
2）），即完成硬币形电池。
[0023]3.将组装完成的硬币型电池，进
行
连续充放电性能测试，其充放电电流密度为0.6mA/cm2，定电流密度进行连续充放电10次，充电截止电压为2V(vs.Li/Li
+
)，放电截止电压为0.005V(vs.Li/Li
+
)。
[0024]如图1所示，可以看到A1、A2在级片剥离强度中的表现，A2对比例的原始硅粉材料，其剥离强度在PVDF粘结剂体系下只有45.1%，容易在经过锂电池充放电过程中，锂离子的迁入和迁出，使A2硅材料从铜箔基材因膨胀过大分离，导致循环寿命快速下降，将硅材料粉末经过实施例的方法加工下得到的A1材料，其剥离强度在PVDF粘结剂体系下提升到75.7%，已经接近商业化纯石墨负极配方的剥离强度，这是因为A1由于石墨及粘结剂把硅材料完整包覆起来，填补了硅材料表面凹凸不平，使其跟PVDF胶可以更好的粘黏在铜箔基材上。
[0025]如表1所示，可以看到A1、A2在0.6mA/cm2的充放电电流约0.2C下，放电电容量分别为1658mAh/g和3275 mAh/g，A1、A2首次效率分别为86.3%和65%，当充放电循环到10次的放电电容量情况下，A1、A2的放电电容量分别为1497.2mAh/g和654.2m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能硅碳复合石墨材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：1）将石墨材料、硅材料、粘结剂进行研磨、过筛；2）将过筛后的石墨材料、硅材料、粘结剂投入高速混合机混合均匀后，放入模具内压制成锭；3）将该步骤2）所获得锭在惰性气体中进行热处理碳化，冷却至室温后再将其粉碎、研磨、混合过筛磁选，即得到高性能硅碳复合石墨材料。2.根据权利要求1所述的一种高性能硅碳复合石墨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中石墨材料为人造石墨、中间相碳微球中的至少一种，过筛后粒径为2
‑
55um。3.根据权利要求1所述的一种高性能硅碳复合石墨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中硅材料为硅、一氧化亚硅、一碳化硅中的至少一种，过筛后粒径为5
‑
30um。4.根据权利要求1所述的一种高性能硅碳复合石墨材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中粘结剂为石油沥青、煤沥青、酚醛树脂中的至少一种，过筛后粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宪聪，吴玉祥，阙志豪，温靖彦，
申请(专利权)人：江西欣荣锂电材料有限公司，
类型：发明
国别省市：