【技术实现步骤摘要】
基于超临界二氧化碳发泡法制备的硅碳复合负极材料及其制备方法
[0001]本专利技术涉及发泡材料制备和锂
、
钠电池
,尤其涉及一种基于超临界二氧化碳发泡法制备的硅碳复合负极材料及其制备方法
。
技术介绍
[0002]硅
(Si)
因其极高的理论比容量
(
约
4200mA h g
‑
1)
和极低的电势
(
约
0.5V vs Li/Li+)
而受到广泛关注
。
然而,在放电
‑
充电循环过程中,硅巨大的体积变化
(
~
300
%
)
会导致电池容量快速衰减和循环寿命锐减
。
而硅碳复合负极材料已被广泛验证了其表现出的循环稳定性
、
高比容量和长循环寿命,可以作为现有石墨负极的上位替代
。
[0003]目前存在的问题是,1,电池负极材料现有容量上的不足;2,巨大的嵌锂容量和
Li xSi
合金复杂的相转变,以及首次嵌锂后由晶态向非晶态转变过程中的相变焓损失,将使硅负极材料在嵌锂过程中出现严重的体积膨胀
(
将近
300
%
)
和结构变化,导致硅在循环过程中体积膨胀碎裂的问题
。
[0004]超临界二氧化碳发泡技术在微孔塑料制品加工领域已经非常成熟,该技术工艺简单,成本低廉,绿色环保r/>。CN 107983089 A
提到发泡材料中熔入的二氧化碳数量与超临界二氧化碳的压力大小正相关,目前亟需要得到更加微小的孔体,需要更大压力的超临界二氧化碳来造孔,以发泡材料作为前驱体,可以碳化后获得具有核壳结构的硅碳复合材料
。
技术实现思路
[0005]为克服现有技术的缺点,本专利技术的目的在于提供一种提高电池负极材容量
、
在放电
‑
充电循环过程中不易于膨胀碎裂的基于超临界二氧化碳发泡法制备的硅碳复合负极材料及其制备方法
。
[0006]为了达到以上目的,本专利技术采用的技术方案是:一种基于超临界二氧化碳发泡法制备的硅碳复合负极材料,原料包括质量份数为
60
‑
100
份的高分子材料
、1
‑
20
份的高熔体强度高分子材料
、1
‑
15
份二氧化碳
、0.1
‑4份扩链剂
、0.1
‑
30
份硅材料成核剂和
0.5
‑3份润滑剂
。
[0007]一种基于超临界二氧化碳发泡法制备的硅碳复合负极材料的制备方法,包含以下步骤:
[0008]1)
将质量份数为
60
‑
100
份的高分子材料
、1
‑
20
份的高熔体强度高分子材料
、0.1
‑4份扩链剂
、0.5
‑3份润滑剂
、0.1
‑
30
份硅材料成核剂,干燥后在失重式混合称重系统里混合均匀,投入双螺杆挤出机挤出,所述双螺杆挤出机的温度设置在
200
‑
400℃
;
[0009]2)
塑化后,在所述双螺杆挤出机的套筒上,将二氧化碳从二氧化碳加压系统注入其中,形成超临界二氧化碳液体,然后用熔体泵将上述材料的混合熔体泵入单螺杆挤出机,所述单螺杆挤出机的温度低于双螺杆挤出机的温度
30
‑
100℃
,再用第二个熔体泵将上述材料的混合熔体泵入一个窄缝式片材模具成型,挤出片材出模具后,突然降压,片材发泡,进
入三辊系统,牵引
、
压平
、
冷却制得超临界二氧化碳发泡片材或膜产品;
[0010]3)
得到的超临界二氧化碳发泡片材或膜产品在高温无氧气体氛围中碳化,得到硅碳复合薄膜
/
片,或粉碎后得到硅碳复合材料粉末,得到的硅碳复合材料具有碳壳
、
硅核的结构
。
[0011]优选地,所述高分子材料包括聚丙烯
PP、
聚乙烯
PE、
聚苯乙烯
PS、
聚对苯二甲酸乙二醇酯
PET、
聚碳酸酯
PC、
聚甲基丙烯酸甲酯
PMMA、
聚酰胺
PA、
聚氨酯
PU、
聚丙烯腈
PAN、
聚酰亚胺
PI、
聚甲醛
POM、
聚醚酮
PEEK、
聚醚砜
PES
等所有能够制备片材或膜的高分子材料
。
其中,聚酰亚胺熔点在
300
至
400
度之间,聚醚酮熔点在
330
至
335
度之间
。
[0012]优选地,所述高熔体强度高分子材料包括高熔体强度聚丙烯
PP、
超高分子量聚乙烯
UHMWPE、
聚酰胺
PA、
聚丙烯腈
PAN、
聚酰亚胺
PI、
聚醚酮
PEEK
等
。
高熔体强度高分子材料塑化后具有极强的韧性,可以使其在发泡过程中形成更微小的孔洞,且不易破裂
。
[0013]优选地,所述扩链剂包括双酰亚胺酯
、1,4
‑
丁二醇
、1,6
‑
己二醇
、
甘油
、
三羟甲基丙烷
、
二甘醇
(DEG)、
三甘醇
、
新戊二醇
、
山梨醇
、
二乙氨基乙醇
、
乙二胺
、N,N
‑
二羟基
(
二异丙基
)
苯胺中的一种或几种的组合
。
[0014]优选地,所述的润滑剂包括液体石蜡
、
硬脂酸
、
聚乙烯醇
、
单双甘油脂肪酸
。
[0015]优选地,所述硅材料成核剂包括纳米硅
、
纳米氧化亚硅,所述硅材料成核剂的尺寸范围为5‑
50nm。
纳米硅和纳米氧化亚硅尺寸越小,其受到膨胀的影响越小,更不容易碎裂,且更有利于其嵌锂容量的发挥
。
[0016]优选地,所述失重式混合称重系统的混合转速为
10
‑
100rpm
,时间为
30
‑
300
秒,称重精度为克级
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.
一种基于超临界二氧化碳发泡法制备的硅碳复合负极材料,其特征在于:原料包括质量份数为
60
‑
100
份的高分子材料
、1
‑
20
份的高熔体强度高分子材料
、1
‑
15
份二氧化碳
、0.1
‑4份扩链剂
、0.1
‑
30
份硅材料成核剂和
0.5
‑3份润滑剂
。2.
一种基于超临界二氧化碳发泡法制备的硅碳复合负极材料的制备方法,其特征在于,包含以下步骤:
1)
将质量份数为
60
‑
100
份的高分子材料
、1
‑
20
份的高熔体强度高分子材料
、0.1
‑4份扩链剂
、0.5
‑3份润滑剂
、0.1
‑
30
份硅材料成核剂,干燥后在失重式混合称重系统里混合均匀,投入双螺杆挤出机挤出,所述双螺杆挤出机的温度设置在
200
‑
400℃
;
2)
塑化后,在所述双螺杆挤出机的套筒上,将二氧化碳从二氧化碳加压系统注入其中,形成超临界二氧化碳液体,然后用熔体泵将上述材料的混合熔体泵入单螺杆挤出机,所述单螺杆挤出机的温度低于双螺杆挤出机的温度
30
‑
100℃
,再用第二个熔体泵将上述材料的混合熔体泵入一个片材模具成型,挤出片材出模具后,突然降压,片材发泡,进入三辊系统,牵引
、
压平
、
冷却制得超临界二氧化碳发泡片材或膜产品;
3)
得到的超临界二氧化碳发泡片材或膜产品在高温无氧气体氛围中碳化,得到硅碳复合薄膜
/
片,或粉碎后得到硅碳复合材料粉末,得到的硅碳复合材料具有碳壳
、
硅核的结构
。3.
根据权利要求2所述的基于超临界二氧化碳发泡法制备的硅碳复合负极材料的制备方法,其特征在于:所述高分子材料包括能够制备片材或膜的高分子材料的聚丙烯
PP、
聚乙烯
PE、
聚苯乙烯
PS、
聚对苯二甲酸乙二醇酯
PET、
聚碳酸酯
PC、
聚甲基丙烯酸甲酯
PMMA、
聚酰胺
PA、
聚氨酯
PU、
聚丙烯腈
PAN、
聚酰亚胺
PI、
聚甲醛
POM、
聚醚酮
PEEK、
聚醚砜
PES。4.
根据权利要求2所述的基于超临界二氧化碳发泡法制备的硅碳复合负极材料的制备方法,其特征在于:所述高熔体强度高分子材料包括高熔体强度聚丙烯
PP、
超高分子量聚乙烯
UHMWPE、
聚酰胺
PA、
聚丙烯腈
PAN、
聚酰亚胺
PI、
聚醚酮
...
【专利技术属性】
技术研发人员:顾杰,宋维宁,
申请(专利权)人:江苏绿碳纳米科技有限公司,
类型:发明
国别省市:
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