【技术实现步骤摘要】
本专利技术负极材料，尤其是涉及一种锂离子电池硅基合金负极材料及其制备方法。
技术介绍
1、随着新能源行业的蓬勃发展，尤其是电子设备和电动汽车的迅速崛起，高能量密度、长循环寿命的锂离子电池开发成为行业的焦点，硅基负极作为最有希望取代石墨的下一代负极材料，得到越来越广泛的关注与研究，负极材料厂都在大规模的布局硅基负极，未来市场潜力巨大。
2、当前商业化较为成熟的硅基负极主要分为硅氧负极和硅碳负极两大类，硅氧负极膨胀和循环优于硅碳负极，但是首效偏低，需要进行预镁或者预锂处理，其中预锂对于材料的首效提升更为明显，同时也会有新的问题，如浆料稳定性、专利方面的纠纷等，而且受锂源价格的波动，成本偏高；硅碳负极传统砂磨法制备的材料当前没能解决硅颗粒的均匀分散问题，膨胀依然得不到有效的抑制，新型的硅烷沉积法虽然性能表现突出，但是生产安全性问题不容忽视，规模化应用还不够成熟；除了硅氧及硅碳材料，硅-金属合金也是人们比较感兴趣的一种结构，硅-金属复合材料是将硅与金属元素合金化形成稳定的硅合金，利用金属良好的延展性、机械性和导电性来弥补硅材料的缺点，减少颗粒破裂粉碎，提升复合材料的综合性能表现；申请号cn 111755676a首先将硅合金研磨至纳米级别，再将其与导电碳进行混合，最后对硅合金和导电碳进行表面包覆，制备出具有优异电化学性能的硅合金负极材料；申请号cn 110085851b将合金原料放入甩带机处理得到硅锡合金薄片，将薄片粉碎后与金属原料、碳源物质及甲氧基乙醇混合烧结得到具有金属氧化物薄膜的硅锡合金粒子，表现出良好的稳定性和使用寿命
3、现有的技术方案中，硅基合金的制备方法主要包括机械合金法和熔融法，先制得硅基合金，粉碎后再和碳基材料进行一些混合、包覆等，能在一定程度上改善材料的性能，但是没有进行特定的结构设计，硅合金各组成部分存在相分离的风险，对材料的构成及活性组分兼容性没有进行有效调控，制得的材料依然存在一些缺陷，不能发挥出最佳的性能。
技术实现思路
1、为了克服现有技术中硅基合金负极材料存在的问题，本专利技术提供了一种锂离子电池硅基合金负极材料及其制备方法，改材料为碳基体内核-硅合金层-碳包覆层的三层复合结构，硅合金两侧的碳材料能够缓冲硅材料嵌锂后的膨胀作用，通过碳材料的低膨胀性能和硅合金材料的高延展性来实现缓冲硅合金材料的体积膨胀问题，使锂离子电池硅基合金负极材料在不影响材料的电池首效容量的同时能够显著降低负极材料嵌锂后的膨胀率；该材料的制备方法利用流化喷雾装置将熔融态的硅合金雾化并包覆在碳基体表面，通过熔融雾化的方式使硅合金在碳材料表面形成均相结构，再通过通入碳源气流在硅合金的表面形成一层碳包覆层，由内而外形成碳基体内核-硅合金层-碳包覆层的三层复合结构。
2、本专利技术的具体技术方案为：
3、一种锂离子电池硅基合金负极材料，包括碳基体内核、包覆在碳基体内核上的硅合金层以及包覆在硅合金层上的碳包覆层。
4、本专利技术提供了一种锂离子电池硅基合金负极材料，该材料为碳基体内核-硅合金层-碳包覆层的三层复合结构，该结构中选择将硅合金层设置在碳材料的夹层中，通过碳材料的低膨胀性能和硅合金材料的高延展性来实现缓冲硅合金材料的体积膨胀问题，该结构中硅合金在碳基体表面形成了一层均相合金包覆层，硅合金的表面还设有一层碳材料包覆层结构，当和硅合金在充电嵌锂后硅合金在膨胀时在其本身的延展性作用下能够将膨胀的材料延伸至碳材料的材料空隙内，能够显著降低硅合金嵌锂后的膨胀作用，该材料在不影响材料的电池首效容量的同时能够显著降低负极材料嵌锂后的膨胀率。
5、作为优选，所述碳基体的粒径为5～25μm。
6、作为优选，所述硅合金层的质量分数为40～80％。
7、作为优选，所述碳包覆层的质量分数为1～5％。
8、一种上述锂离子电池硅基合金负极材料的制备方法，包括以下步骤：
9、步骤1：筛选碳基体；
10、步骤2：将碳基体置于流化床喷雾干燥装置，向流化床腔体底部通入惰性气流，惰性气流将碳基体吹扫至流化态碳基体；
11、步骤3：将硅和其他金属在熔炼炉中加热使其呈熔融态，并通过流化床喷雾装置顶端的雾化喷枪进行雾化处理形成硅合金液滴，硅合金液滴对流化态碳材料基体进行熔融液滴包覆处理制成硅合金包覆碳材料基体；
12、步骤4：将碳源气体通入流化喷雾装置中，流化喷雾装置内喷出碳源气流，碳源气流对硅合金包覆碳材料基体进行吹扫包覆处理，碳源气流在硅合金包覆碳材料基体表面形成碳包覆层制成锂离子电池硅基合金负极材料。
13、本专利技术还提供了上述锂离子电池硅基合金负极材料的制备方法，该方法先将碳基体置于流化喷雾装置中，本专利技术的流化喷雾装置为流化床喷雾干燥造粒机，通过流化床腔体底部通入的气流使碳材料基体处于流化状态，流化床腔体顶端的雾化喷枪将熔融态的硅合金雾化成硅合金液滴，硅合金液滴与流化状态的碳材料接触后会包覆在碳基体上形成硅合金包覆碳基体，再通过碳源气体对硅合金包覆碳基体进行碳包覆制成锂离子电池硅基合金负极材料，硅合金通过雾化的形成对碳基体进行包覆时，能够在碳基体表面形成均相合金结构，能够更均匀的包覆在碳基体上，与合金颗粒粘结包覆相比，能够有效的保证电池的首次充电容量和效率不受影响。
14、作为优选，步骤1中所述碳基体为多孔碳、天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳中的一种或多种。
15、作为优选，步骤2中所述惰性气流包括氮气、氩气和氦气中的一种。
16、作为优选，步骤3中所述熔融态硅合金中的金属元素包括铜、铝、镁、锌、铁、钴、镍、钛、锰和锂中的一种或几种，所述雾化处理包括水雾化制粉和气雾化制粉中的一种。
17、作为优选，步骤4中所述碳源气流包括烷烃气体、烯烃气体、炔烃气体和丙酮气体中的一种或几种。
18、作为优选，步骤4中所述吹扫包覆处理的条件包括：温度500～1000℃，处理时间2～10h。
19、本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
20、(1)本专利技术提供的锂离子电池硅基合金负极材料的结构为碳基体内核-硅合金层-碳包覆层的三层复合结构；
21、(2)本专利技术提供的锂离子电池硅基合金负极材料在不影响材料的电池首效容量的同时能够显著降低负极材料嵌锂后的膨胀率；
22、(3)本专利技术提供的锂离子电池硅基合金负极材料采用了改进的流化喷雾装置制成，通过将熔融态硅合金雾化成合金液滴包覆在碳基体材料的表面，再通过碳源气体对硅合金包覆碳基体进行碳包覆形成三层复合结构的锂离子电池硅基合金负极材料，该方法能够使硅合金在碳基体表面形成均相合金结构，能够有效的保证电池的首次充电容量和效率不受影响。
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1.一种锂离子电池硅基合金负极材料，其特征是，包括碳基体内核、包覆在碳基体内核上的硅合金层以及包覆在硅合金层上的碳包覆层。
2.根据权利要求1所述的硅基合金负极材料，其特征是，所述碳基体的粒径为5~25μm。
3.根据权利要求1所述的硅基合金负极材料，其特征是，所述硅合金层的质量分数为40~80 %。
4.根据权利要求1所述的硅基合金负极材料，其特征是，所述碳包覆层的质量分数为1~5 %。
5.一种根据权利要求1至4所述的硅基合金负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的硅基合金负极材料的制备方法，其特征是，步骤1中所述碳基体为多孔碳、天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳和硬碳中的一种或多种。
7.根据权利要求5所述的硅基合金负极材料的制备方法，其特征是，步骤2中所述惰性气流包括氮气、氩气和氦气中的一种。
8.根据权利要求5所述的硅基合金负极材料的制备方法，其特征是，步骤3中所述熔融态硅合金中的金属元素包括铜、铝、镁、锌、铁、钴、镍、钛、锰和锂中的一种或几种，所述雾
9.根据权利要求5所述的硅基合金负极材料的制备方法，其特征是，步骤4中所述碳源气流包括烷烃气体、烯烃气体、炔烃气体和丙酮气体中的一种或几种。
10.根据权利要求5所述的硅基合金负极材料的制备方法，其特征是，步骤4中所述吹扫包覆处理的条件包括：温度500~1000 ℃，处理时间2~10 h。
...【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池硅基合金负极材料，其特征是，包括碳基体内核、包覆在碳基体内核上的硅合金层以及包覆在硅合金层上的碳包覆层。
2.根据权利要求1所述的硅基合金负极材料，其特征是，所述碳基体的粒径为5~25μm。
3.根据权利要求1所述的硅基合金负极材料，其特征是，所述硅合金层的质量分数为40~80 %。
4.根据权利要求1所述的硅基合金负极材料，其特征是，所述碳包覆层的质量分数为1~5 %。
5.一种根据权利要求1至4所述的硅基合金负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的硅基合金负极材料的制备方法，其特征是，步骤1中所述碳基体为多孔碳、天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳和硬碳...
【专利技术属性】
技术研发人员：张小祝，叶克份，陈伟，苏敏，
申请(专利权)人：万向一二三股份公司，
类型：发明
国别省市：
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