一种膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料及其制备方法、电极极片技术

本发明专利技术公开了一种膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料及其制备方法、电极极片，属于电池极片领域。本发明专利技术先将碳源和膨胀石墨混合进行一次碳化，使膨胀石墨得到分布均匀且结构稳定的孔隙结构，以解决硅材料分散性较差，难以均匀分散的问题，同时不易破坏膨胀石墨的孔隙结构，还能为硅材料在嵌锂后发生膨胀提供结构坚固稳定的容纳空间，减少硅材料因体积膨胀造成活性物质快速粉化和脱落的风险。此外，在完成硅材料的掺杂后，还进行了二次碳化才形成膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料，二次碳化有利于封闭膨胀石墨的孔隙，进一步提高膨胀石墨的结构稳定性，还能防止电解液大量进入到膨胀石墨中破坏其结构，影响电池极片的导电性能。影响电池极片的导电性能。影响电池极片的导电性能。

【技术实现步骤摘要】
一种膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料及其制备方法、电极极片


[0001]本专利技术涉及电池极片领域，尤其涉及一种膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料及其制备方法、电极极片。

技术介绍

[0002]硅基负极与石墨负极相比，具有极高的理论比容量和适中的放电电位，被认为是下一代高能量密度锂离子电池的理想负极材料。但是，其商业化应用目前面临几个关键的瓶颈问题，尤其是电池的循环稳定性亟待解决。首先，硅是一种半导体材料，其电子导电性较差；其次，硅材料在嵌锂之后存在剧烈的体积膨胀，这将造成活性物质快速粉化和脱落，极片导电环境衰变以及固体电解质膜动态重构，从而导致电池首次库伦效率低，电极比表面积增加，固体电解质膜增厚，内阻和极化加剧，电解液和正极中锂的不可逆消耗，库伦效率下降，电极中“死体积”增加，可逆容量下降。
[0003]膨胀石墨具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积及良好的导电/热性能，并且拥有丰富的活性位点和快速传输离子的通道，已广泛应用于硅碳复合结构中。但是常规的方法往往是将膨胀石墨、硅、碳源直接溶剂混合干燥或者球磨等制备膨胀石墨/硅/碳复合材料。存在工艺繁琐、硅分散不均等问题，一般需要先把膨胀石墨在溶剂中超声制备类石墨烯，然后再复合，这样膨胀石墨丰富的孔隙结构就没有得以应用，造成复合材料丧失大量的活性位点和快速传输离子的通道。

技术实现思路

[0004]为解决硅/碳复合负极材料中的硅材料分散不均且容易破坏膨胀石墨的孔隙结构的技术问题，本专利技术提供一种膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0005]将膨胀石墨和碳源进行混合，使所述碳源进入所述膨胀石墨的孔隙中得到碳源/膨胀石墨复合前驱体，对所述碳源/膨胀石墨前驱体进行一次碳化得到膨胀石墨/碳复合材料；
[0006]将硅基负极材引入所述膨胀石墨/碳复合材料的孔隙中得到膨胀石墨/碳/硅复合材料；
[0007]将所述膨胀石墨/碳/硅复合材料和包覆碳源混合，进行二次碳化得到膨胀石墨碳/硅/碳复合电极材料。
[0008]在本申请的一些实施例中，所述膨胀石墨和所述碳源的质量比为(1:200)
‑
(1:1)。
[0009]在本申请的一些实施例中，所述碳源包括沥青、乙烯焦油、聚丙烯腈、树脂、淀粉、淀粉衍生物、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚马来酸酐、聚季胺盐、水解聚丙烯酰胺、天然植物胶、聚氧化乙烯、离子型水溶性环氧树脂、离子型顺酐化聚丁二烯树脂、阳离子型水溶性聚氯树脂、水性聚丙烯酸酯、羧甲
基纤维素钠、羧甲基淀粉钠、聚乙烯醇、聚苯乙烯磺酸钠、聚多巴胺、聚乙二醇、水性聚氨酯、聚丙烯酸、瓜尔胶、壳聚糖、明胶、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、黄原胶、海藻酸钙、吉兰糖胶、环糊精、刺梧桐胶、阿拉伯树胶及其衍生物中的一种或者多种。
[0010]在本申请的一些实施例中，所述包覆碳源包括沥青、乙烯焦油、聚丙烯腈、树脂、淀粉、淀粉衍生物、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚马来酸酐、聚季胺盐、水解聚丙烯酰胺、天然植物胶、聚氧化乙烯、离子型水溶性环氧树脂、离子型顺酐化聚丁二烯树脂、阳离子型水溶性聚氯树脂、水性聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素钠、羧甲基淀粉钠、聚乙烯醇、聚苯乙烯磺酸钠、聚多巴胺、聚乙二醇、水性聚氨酯、聚丙烯酸、瓜尔胶、壳聚糖、明胶、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、黄原胶、海藻酸钙、吉兰糖胶、环糊精、刺梧桐胶、阿拉伯树胶及其衍生物中的一种或者多种。
[0011]在本申请的一些实施例中，所硅基负极材料包括硅、硅氧化合物中的至少一种。
[0012]在本申请的一些实施例中，所述一次碳化温度为400℃～3000℃，所述一次碳化的保温时间为0～24h；
[0013]和/或，所述二次碳化温度为400℃～3000℃，所述二次碳化的保温时间为0～24h。
[0014]在本申请的一些实施例中，所述膨胀石墨由可膨胀石墨膨胀得到，所述可膨胀石墨的粒径为1μm
‑
500μm，膨胀倍数为50
‑
400倍。
[0015]在本申请的一些实施例中，所述将硅基负极材引入所述膨胀石墨/碳复合材料的孔隙中得到膨胀石墨/碳/硅复合材料的步骤包括：
[0016]将所述硅基负极材料分散到溶剂中形成溶液，将所述溶液滴加到所述膨胀石墨/碳复合材料的孔隙中得到膨胀石墨/碳/硅复合材料；
[0017]或，将碳源和所述硅基负极材料、膨胀石墨/碳复合材料混合，进行加热碳化得到膨胀石墨/碳/硅复合材料。
[0018]为实现上述目的，本专利技术还提供一种本专利技术如上所述膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料制备方法制备得到的膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料。
[0019]为实现上述目的，本专利技术还提供一种电极极片，所述电极极片包括本专利技术如上所述的膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料。
[0020]本专利技术所能实现的有益效果：
[0021](1)本专利技术通过将碳源和膨胀石墨混合进行一次碳化，可以获得孔隙分布均匀且孔隙结构稳定的膨胀石墨，均匀分布的孔隙可以解决硅材料分散性较差，难以均匀分布到膨胀石墨中的问题，而稳定的孔隙结构，在后续将硅基负极材料引入膨胀石墨的孔隙中时不仅不易破坏膨胀石墨的孔隙，还能够为硅材料在嵌锂后发生膨胀提供结构坚固稳定的容纳空间，减少硅材料因体积膨胀造成活性物质快速粉化和脱落的风险。
[0022](2)本专利技术将硅材料引入膨胀石墨的孔隙中后，还加入包裹碳源进行二次碳化，形成了被碳层包覆的膨胀石墨碳/硅/碳复合材料，而该碳包覆层能封闭膨胀石墨的孔隙，进一步提高膨胀石墨的结构稳定性，并减少其比表面积以提高电池极片的首次库伦效率，还能防止电解液大量进入到膨胀石墨中破坏其结构，影响电池极片的导电性能。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有
技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
[0024]图1为本专利技术膨胀石墨、膨胀石墨/碳复合材料、膨胀石墨碳/硅/碳复合材料的SEM图。
[0025]本专利技术目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0026]应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0027]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]在本专利技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将膨胀石墨和碳源进行混合，使所述碳源进入所述膨胀石墨的孔隙中得到碳源/膨胀石墨复合前驱体，对所述碳源/膨胀石墨前驱体进行一次碳化得到膨胀石墨/碳复合材料；将硅基负极材料引入所述膨胀石墨/碳复合材料的孔隙中得到膨胀石墨/碳/硅复合材料；将所述膨胀石墨/碳/硅复合材料和包覆碳源混合，进行二次碳化得到膨胀石墨碳/硅/碳复合电极材料。2.根据权利要求1所述膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述膨胀石墨和所述碳源的质量比为(1:200)
‑
(1:1)。3.根据权利要求1所述膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述碳源包括沥青、乙烯焦油、聚丙烯腈、树脂、淀粉、淀粉衍生物、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚马来酸酐、聚季胺盐、水解聚丙烯酰胺、天然植物胶、聚氧化乙烯、离子型水溶性环氧树脂、离子型顺酐化聚丁二烯树脂、阳离子型水溶性聚氯树脂、水性聚丙烯酸酯、羧甲基纤维素钠、羧甲基淀粉钠、聚乙烯醇、聚苯乙烯磺酸钠、聚多巴胺、聚乙二醇、水性聚氨酯、聚丙烯酸、瓜尔胶、壳聚糖、明胶、海藻酸钠、聚乙烯吡咯烷酮、黄原胶、海藻酸钙、吉兰糖胶、环糊精、刺梧桐胶、阿拉伯树胶及其衍生物中的一种或者多种。4.根据权利要求1所述膨胀石墨/碳/硅/碳复合电极材料的制备方法，其特征在于，所述包覆碳源包括沥青、乙烯焦油、聚丙烯腈、树脂、淀粉、淀粉衍生物、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素、乙基纤维素、羟乙基纤维素、聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、聚马来酸酐、聚季胺盐、水解聚丙烯酰胺、天然植物胶、聚氧化乙烯、离子型水溶性环氧树脂、离子型顺酐化聚丁二烯树...

【专利技术属性】
技术研发人员：张成智，谭军，全卓华，
申请(专利权)人：季华实验室，
类型：发明
国别省市：