半固态变形工艺制备硅碳材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于电极技术领域，公开了一种半固态变形工艺制备硅碳材料的制备方法及其应用，所述方法包括：

【技术实现步骤摘要】
半固态变形工艺制备硅碳材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及电池
，具体而言，涉及一种半固态变形工艺制备硅碳材料的制备方法及其应用
。

技术介绍

[0002]锂离子电池自
1991
年首次实现商业化以来，其应用领域日益扩大，重要性日益增加，尤其是在近些年蓬勃发展的电动汽车领域，对高性能锂离子电池的需求日益紧迫
。
电极材料对锂离子电池的能量密度影响巨大，目前广泛使用的负极材料是石墨，石墨的储锂比容量为
372mAh/g
，已难以满足市场对高能量密度的要求，需要寻找新的更高比容量的负极材料
。
硅的比容量为
4200mAh/g
，远高于石墨，是高容量负极材料的首选
。
由于超高的比容量，硅基材料在工业及学术界备受青睐
。
但是，硅在脱嵌锂过程中，会产生约
400
％的体积膨胀
/
收缩，此外，由于其半导体特性，硅的本征电导率极低，这些因素大大限制了其商业化的应用
。
目前针对硅负极材料的研究方面，主要应对策略为对硅进行纳米化并与高导电的碳材料进行复合
。
尤其是具有多孔结构的硅碳复合材料被广为看好，其可以缓解硅的体积膨胀造成的应力破坏
。
但是，目前应用这种策略制备硅碳负极的方法多为溶液法，制备过程涉及多种有机溶剂
、HF
等危险性药品，并且用量大，制备周期长，生产成本高，能耗高，生产效率低，后续污废处理问题严重，对重资产设备依赖程度高等问题
。
此外，纳米硅自身存在严重的团聚问题，传统的溶液方法难以实现硅粉的良好分散
。
为了解决硅碳负极材料生产制备中存在的这些问题，需要研发新的制备工艺，以推动硅碳负极材料产业化应用进程
。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种半固态变形工艺制备硅碳材料的制备方法及其应用
。
[0004]为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]第一方面，本专利技术提供一种半固态变形工艺制备硅碳材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0006](a)
制备半固态块体：
[0007]将硅材料
、
高分子造孔剂
、
高分子碳化前驱体和溶剂混合并形成半固态块体；
[0008](b)
变形处理：
[0009]对所述半固态块体进行变形处理，使所述高分子造孔剂和高分子碳化前驱体发生变形并作用于硅粉，得到变形料；
[0010](c)
固化处理：
[0011]对所述变形料进行固化处理，使高分子碳化前驱体发生固化，得到固化坯料；
[0012](d)
碳化处理：
[0013]对所述固化坯料进行碳化处理，得到所述的硅碳材料
。
[0014]本专利技术的方法中，半固态块体为可形成并保持的任意形状
。
[0015]本专利技术提供了一种半固态变形工艺制备硅碳材料的制备方法，通过对半固态块体进行变形处理，可以保证高分子造孔剂和高分子碳化前驱体具有良好的混合状态并将硅材料粘结，变形过程中产生合适的冲击力，更有利于变形过程中将硅材料高度分散，同时，在变形过程中高分子造孔剂
、
高分子碳化前驱体的颗粒拉长
、
扭曲
、
延展，在此过程中颗粒细化，并形成交叉网络结构
。
碳化的步骤中，高分子碳化前驱体转化为碳，高分子造孔剂分解汽化，形成孔洞，硅材料附着在孔壁上，从而获得低膨胀的硅碳材料，其中的硅材料分散性好
。
[0016]本专利技术的方法工艺简单
、
成本低
、
制备周期短，且对环境无污染，适合工业化生产
。
[0017]以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为对本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果
。
[0018]优选地，步骤
(a)
按照下述方式制备半固态块体，包括以下步骤：
[0019](a1)
将硅材料粉
、
高分子造孔剂粉
、
高分子碳化前驱体粉进行混粉，得到混合粉；
[0020](a2)
将溶剂加入所述的混合粉中，以使粉体颗粒彼此粘结在一起，经反复搅拌压揉形成半固态块体
。
[0021]优选地，步骤
(a1)
所述混粉的方法包括机械搅拌
、VC
混合
、
超声振动和气流鼓吹中的至少一种
。
[0022]本专利技术中，机械搅拌指的是利用搅拌桨的搅拌得到分散的目的
。
[0023]优选地，所述机械搅拌的时间为1‑
36h
，例如
1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、12h、13h、15h、16h、18h、20h、22h、23h、25h、27h、28h、30h、31h、32h、34h
或
36h
等
。
[0024]优选地，所述
VC
混合的时间为1‑
36h
，例如
1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、12h、13h、15h、16h、18h、20h、22h、23h、25h、27h、28h、30h、31h、32h、34h
或
36h
等
。
[0025]优选地，所述超声振动的时间为
0.5
‑
5h
，例如
0.5h、0.6h、0.8h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h
或
5h
等
。
[0026]优选地，所述气流鼓吹的时间为
0.5
‑
5h
，例如
0.5h、0.6h、0.8h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h
或
5h
等
。
[0027]优选地，步骤
(a1)
所述混粉的工序应尽可能保证硅材料粉
、
高分子造孔剂粉
、
高分子碳化前驱体粉均匀混合，从而有利于后续工艺中均匀半固态块体的制备，使硅材料在高分子碳化前驱体中更均匀地分散，为硅碳材料成品的稳定性和均一性提供保障
。
[0028]优选地，所述高分子造孔剂包括聚乙烯吡咯烷酮
(PVP)、
聚乙烯醇
(PVA)、
聚氧化乙烯
(PEO)、
聚甲基丙烯酸甲酯
(PMMA)
和聚丙烯酸钠
(P本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种半固态变形工艺制备硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)
制备半固态块体：将硅材料
、
高分子造孔剂
、
高分子碳化前驱体和溶剂混合并形成半固态块体；
(b)
变形处理：对所述半固态块体进行变形处理，使所述高分子造孔剂和高分子碳化前驱体发生变形并作用于硅粉，得到变形料；
(c)
固化处理：对所述变形料进行固化处理，使高分子碳化前驱体发生固化，得到固化坯料；
(d)
碳化处理：对所述固化坯料进行碳化处理，得到所述的硅碳材料
。2.
根据权利要求1所述的半固态变形工艺制备硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤
(a)
按照下述方式制备半固态块体，包括以下步骤：
(a1)
将硅材料粉
、
高分子造孔剂粉
、
高分子碳化前驱体粉进行混粉，得到混合粉；
(a2)
将溶剂加入所述的混合粉中，以使粉体颗粒彼此粘结在一起，经反复搅拌压揉形成半固态块体；优选地，步骤
(a1)
所述混粉的方法包括机械搅拌
、
超声振动和气流鼓吹中的至少一种
。3.
根据权利要求1或2所述的半固态变形工艺制备硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述高分子造孔剂包括聚乙烯吡咯烷酮
、
聚乙烯醇
、
聚氧化乙烯
、
聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯酸钠中的至少一种；优选地，所述硅材料和所述高分子造孔剂的质量比为
1:(1
‑
10)
；优选地，所述高分子碳化前驱体包括沥青
、
酚醛树脂
、
聚丙烯腈
、
聚苯胺和聚乙烯醇缩丁醛酯中的至少一种；优选地，所述硅材料和所述高分子碳化前驱体粉的质量比为
1:(2
‑
35)
，优选为
1:(2
‑
10)
；优选地，所述溶剂选自有机溶剂和无机溶剂中的至少一种，优选包括水
、
乙醇
、N,N
‑
二甲基甲酰胺
、
正己烷和二甲苯中的至少一种；优选地，硅材料
、
高分子造孔剂和高分子碳化前驱体为粉体，且上述粉体的总质量与溶剂的质量之比为
1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振伟，于杰，苑甫，林梓家，
申请(专利权)人：松山湖材料实验室，
类型：发明
国别省市：