负极材料及其制备方法、应用技术

本发明专利技术提供了一种负极材料及其制备方法、应用，涉及电极材料的技术领域，该负极材料主要由纳米硅颗粒和无定形碳组成，负极材料结构为Si/C

【技术实现步骤摘要】
负极材料及其制备方法、应用


[0001]本专利技术涉及电极材料的
，尤其是涉及一种负极材料及其制备方法、应用。

技术介绍

[0002]随着新能源电动车、电动飞行器的发展，对高能量密度电极材料的需求越来越迫切。当前，石墨负极材料的理论容量仅有372mA
·
h/g，商业化石墨的容量已经接近理论容量；在众多负极材料中，硅材料具有最高的理论储锂容量，在室温下形成Li
15
Si4，理论容量可达到3579mA
·
h/g，将硅材料运用于电池负极，能够大幅提高电池的能量密度。
[0003]硅材料具有高容量的同时伴随着巨大的充电体积膨胀，过大的体积膨胀容易导致颗粒破裂粉化，固态电解质膜大量生长，最终使负极容量衰减，电池容量衰减。目前，硅负极材料的制备多使用硅材料与不规则形貌碳材料或者石墨进行复合，从而达到降低硅材料体积膨胀的效果，但是不规则形貌碳材料流动性较差，包覆均匀性较差，且在冷压电极片时容易使不规则形貌硅材料颗粒压碎，不利于提高电池的能量密度。
[0004]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一在于提供一种负极材料，具有较高的圆球度，且粒度分布较集中，能够使硅和碳在负极材料中分布较均匀，具有较高的首次可逆容量和首次效率，同时具有较低的充电体积膨胀效应，因此有利于提高锂离子二次电池的能量密度和改善首次效率。
[0006]本专利技术的目的之二在于提供一种负极材料的制备方法，不仅工艺简单，适合工厂化生产，而且能够提高负极材料的首次效率和首次可逆容量，同时使负极材料具有较低的充电体积膨胀效应。
[0007]本专利技术的目的之三在于提供一种负极材料的应用，能够有效提高锂离子二次电池的能量密度和有效改善首次效率，能够取得突出的应用效果。
[0008]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：第一方面，一种负极材料，包括纳米硅颗粒和无定形碳；所述负极材料的结构为Si/C
m
，其中，0.25≤m≤4；所述负极材料的粒度分布K90介于0.9~1.4之间；所述负极材料的平均圆球度φs介于0.6~1.0之间；所述负极材料的中值粒径D50为2~9μm。
[0009]进一步的，所述负极材料的比表面积在0.5~10m
²
/g之间。
[0010]进一步的，所述无定形碳的平均圆球度介于0.6~1.0之间；优选地，所述无定形碳的中值粒径D50为2~8μm；优选地，所述无定形碳的粒度分布K90介于0.8~1.8之间；优选地，所述无定形碳的比表面积在500~3000 m
²
/g之间。
[0011]进一步的，所述无定形碳的孔容≥0.5cm
³
/g；优选地，所述无定形碳的孔结构包括微孔、介孔以及大孔中的至少两种；优选地，所述微孔的体积分数为10~95%；优选地，所述介孔的体积分数为10~95%；优选地，所述大孔的体积分数小于10%。
[0012]进一步的，所述纳米硅颗粒为非晶硅；优选地，所述纳米硅颗粒的平均粒度D50小于50nm；优选地，所述纳米硅颗粒占负极材料的20~80wt%。
[0013]第二方面，一种上述任一项所述的负极材料的制备方法，包括以下步骤：（a）制备平均圆球度≥0.6的无定形碳；（b）硅烷化合物在所述无定形碳的孔结构中进行热解，使纳米硅颗粒沉积在所述无定形碳的孔结构内，得到硅碳前驱体；（c）步骤（b）的硅碳前驱体进行钝化处理，得到所述负极材料。
[0014]进一步的，所述无定形碳的制备方法包括以下步骤：碳源材料进行预碳化，得到预碳化物；所述预碳化物经碳化、粉碎以及活化处理，得到无定形碳；优选地，所述碳源材料包括葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、蔗糖、麦芽糖、大米淀粉、绿豆淀粉、小麦淀粉、木薯淀粉、玉米淀粉、纤维素以及酚醛树脂中的至少一种；优选地，所述预碳化的方法包括溶剂热反应、低温碳化以及喷雾干燥中的至少一种；优选地，所述预碳化物的平均圆球度≥0.6；优选地，所述活化处理包括物理活化法和化学活化法中的至少一种；优选地，所述物理活化法使用的气体包括水蒸气、空气以及二氧化碳中的至少一种；优选地，所述化学活化法的化学试剂包括磷酸、氯化锌、氢氧化钾以及氢氧化钠中的至少一种。
[0015]第三方面，一种上述任一项所述的负极材料在锂离子二次电池中的应用。进一步的，当以恒定电流放电至0.005V，然后以恒定电流充电至电压达到1.5V时，所述锂离子二次电池的首次可逆容量≥1700mA
·
h/g，首次效率≥92%。
[0016]进一步的，当以恒定电流充电至电压达到0.8V时，所述锂离子二次电池的首次效率在81%以上。
[0017]进一步的，当以恒定电流充电至电压达到0.6V时，所述锂离子二次电池的首次效率在66%以上。
[0018]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：本专利技术提供的负极材料，具有较高的圆球度和较集中的粒度分布，纳米硅颗粒能够较均匀地分布在无定形碳中，相比于不规则形貌的负极材料，圆球度高的负极材料具有更高的抗压强度，在制备电极片的冷压工艺中能够承受更大的压力，从而避免颗粒被压碎的风险；本专利技术提供的负极材料，具有较高的首次效率和首次可逆容量，在锂离子电池测试体系中，首次可逆容量能够达到1700mA
·
h/g以上，首次效率能够达到92%以上，同时与石墨
混合后具有较高的抗压强度和较低的充电体积膨胀效应。
[0019]本专利技术提供的负极材料的制备方法，不仅工艺简单，适合工厂化生产，而且能够提高负极材料的首次效率和首次可逆容量，同时使负极材料具有较低的充电体积膨胀效应。
[0020]本专利技术提供的负极材料的应用，能够有效提高锂离子二次电池的能量密度和有效改善首次效率，具有突出的应用效果。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为本专利技术实施例1提供的无定形碳材料的1000倍的扫描电镜图；图2为本专利技术实施例1提供的无定形碳材料的30000倍的扫描电镜图；图3为本专利技术实施例1提供的无定形碳材料的XRD衍射图谱；图4为本专利技术实施例1提供的负极材料的1000倍的扫描电镜图；图5为本专利技术实施例1提供的负极材料的30000倍的扫描电镜图；图6为本专利技术实施例1提供的负极材料制备的极片的离子研磨断面扫描电镜图和能谱图；图7为本专利技术实施例1提供的负极材料的XRD衍射图谱；图8为本专利技术试验例3得到的负极材料的锂电扣式电池的首充放电曲线图；图9为本专利技术试验例3得到的负极材料的锂电扣式电池的首充放电dQ/dV曲线图。
具体实施方式
[0023]下面将结合实施例对本专利技术的技术方案进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负极材料，其特征在于，包括纳米硅颗粒和无定形碳；所述负极材料的结构为Si/C
m
，其中，0.25≤m≤4；所述负极材料的粒度分布K90介于0.9~1.4之间；所述负极材料的平均圆球度φs介于0.6~1.0之间；所述负极材料的中值粒径D50为2~9μm。2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述负极材料的比表面积在0.5~10m
²
/g之间。3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述无定形碳的平均圆球度介于0.6~1.0之间；所述无定形碳的中值粒径D50为2~8μm；所述无定形碳的粒度分布K90介于0.8~1.8之间；所述无定形碳的比表面积在500~3000 m
²
/g之间。4.根据权利要求3所述的负极材料，其特征在于，所述无定形碳的孔容在0.5cm
³
/g以上；所述无定形碳的孔结构包括微孔、介孔以及大孔中的至少两种；所述微孔的体积分数为10~95%；所述介孔的体积分数为10~95%；所述大孔的体积分数小于10%。5.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于，所述纳米硅颗粒为非晶硅；所述纳米硅颗粒的平均粒度D50小于50nm；所述纳米硅颗粒占负极材料的20~80wt%。6.一种权利要求1
‑
5任一项所述的负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（a）制备平均圆球度≥0.6的无定形碳；（b）硅烷化合物在所述无定形...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈厚富，胡亮，彭天权，俞有康，章镇，邝群峰，
申请(专利权)人：赣州立探新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：