【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池负极制备，尤其涉及一种硅碳负极及其制备方法。
技术介绍
1、负极作为锂离子电池的重要组成部分，使用高容量的负极材料可以有效提升全电池能量密度。经过数十年发展，目前最常用的石墨材料实际比容量已经可以达到360-365mah/g，十分接近理论比容量(372mah/g)，继续改善石墨负极性能对锂离子电池性能提升十分有限。
2、硅基负极具有能量密度高，原料分部广泛，放电平台合适等优点，被认为是较具前途的下一代锂离子电池负极材料。其中硅基负极主要包括两类：
3、1)单质硅负极，其理论比容量高达4,200mah/g，超过石墨负极的10倍。
4、2)氧化亚硅负极，其理论比容量达2,600mah/g，同样远高于石墨负极。
5、虽然单质硅材料拥有较高的比容量，但是仍存在一些问题：1)循环稳定性弱：硅充放电过程中体积膨胀收缩变化达320％(石墨仅12％)，会产生较大的机械应力，多次循环后硅颗粒会发生破碎和粉化，造成负极失效；2)导电性不佳：硅是半导体，与导电剂及负极粘结剂的接触较差，导致电极整体导电性不佳；3)首次循环库伦效率低：锂离子电池充电过程中，有机电解液会在负极表面分解，形成sei(固体电解质相界面)膜，不可逆的消耗锂离子电池中来自正极的锂离子，降低了锂离子电池容量和能量密度，硅材料的首次充电不可逆循环损耗最高达到30％(石墨为5-10％)。
6、为解决硅基负极所面临的膨胀及失效等问题，科研人员开发了多种硅基负极改性方式，主要包括1)硅氧化，2)纳米化，3)
7、硅氧化(氧化亚硅)相较于单质硅颗粒，氧化亚硅(siox)在锂嵌入过程中发生的体积膨胀较小，因此相对纯硅负极，其循环稳定性有较为明显改善，但是氧化亚硅负极在充放电过程中会生产非活性物质，导致siox材料首次效率较低(约70％)。通过降低硅基材料粒径至纳米级别，也可以改善硅基材料在充放电过程中发生的体积变化。但单纯使用纳米级硅颗粒也不能提升硅基负极的导电性。通过复合其他材料来制备硅基复合材料，不但可以改善硅基材料的导电性，还可以作为缓冲层来承受硅在充放电过程中发生的体积效应，但纳米硅和多孔硅，始终存在材料制备成本高的问题。合金负极也面临成本较高，加工工艺复杂等问题，导致近年来硅合金负极产业化进展较慢。
8、以斯坦福大学崔屹教授课题组技术为基础的美国安普瑞斯(amprius)公司通过cvd(化学气相沉积)方式制备的含硅量100％的硅纳米线负极材料，已经在部分消费类电池产品得到应用。这种硅纳米线负极结构解决了硅负极膨胀及失效等问题，也有效降低了负极的厚度，提升了系统整体能量密度。虽然硅纳米线负极具有诸多优势，但其生产成本较高，设备要求高(高温高压)原料易燃易爆，材料均一性不好等缺陷也一定程度上限制了其大规模应用。
9、因此，亟需一种生产成本低，工艺流程短，质量高，一致性好，易于工业化生产的电池负极材料。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种硅碳负极及其制备方法，可降低生产成本，缩短工艺流程，并提高负极材料的质量。
2、为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
3、本专利技术提供了一种硅碳负极，由如下重量份的原料组成：有机硅90-100份、分散剂1-5份、石墨烯3-10份、氮掺杂剂0-5份、沥青20-60份。
4、优选的，所述有机硅为含有重复硅氧链的一类有机聚合物。
5、优选的，所述含有重复硅氧链的一类有机聚合物为甲基硅油、二甲基硅油、二乙基硅油、羟基硅油、含氢硅油、硅脂中的一种或多种。
6、优选的，所述分散剂是指有助于石墨烯在硅油中分散的表面活性剂、相转移剂、硅偶联剂中的一种或多种。
7、优选的，所述分散剂是全氟烷基磺酸盐，十六烷基三乙基溴化胺、聚氧乙烯醚、硅烷偶联剂550、570中的一种或多种。
8、优选的，所述石墨烯是指多层石墨烯、多层氧化石墨烯、碳纳米管中的一种或多种。
9、优选的，所述氮掺杂剂是指含氮元素有机化合物或聚合物。
10、优选的，所述氮掺杂剂为甲基甲基吡咯烷，尿素、三聚氰胺、聚酰胺中的一种或多种。
11、优选的，所述沥青是指软化点120～300℃高软化点沥青。
12、本专利技术还提供了一种上述的硅碳负极的制备方法，包括如下步骤：
13、(1)将有机硅与分散剂、石墨烯、氮掺杂剂混合，抽真空，超声波处理2-5小时；
14、(2)超声处理完成后加入粉状沥青混匀后加热至120-300℃，于强力剪切设备中再次混匀、破碎得到硅碳负极前驱体粉料；
15、(3)将硅碳负极前驱体粉料在惰性气体保护下500-1000℃高温碳化8-10h，降温得到硅碳负极材料。
16、本专利技术的技术效果如下：
17、(1)本专利技术采用有机硅作为硅源，而不是采用制造成本很高的纳米硅、纳米氧化亚硅、多孔硅，制备成本大大降低。
18、(2)本专利技术采用有机硅与石墨烯、沥青原位还原成纳米硅的方法，一次性完成硅的还原反应和碳包覆，合成硅碳负极材料，大大简化硅碳负极材料制备工序。
19、(3)本专利技术采用的工艺设备是工业采用的通用装备，便于大规模工业生产。
20、(4)本专利技术原位生成的纳米硅均匀分散在石墨烯和同步碳化包覆软碳中，形成的碳包覆层性质稳定，能够承受充放电引起的膨胀和收缩，产品容量高，在500ma下，容量790ma/g，循环1000次，效率78％，首次效率92％。
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1.一种硅碳负极，其特征在于，由如下重量份的原料组成：有机硅90-100份、分散剂1-5份、石墨烯3-10份、氮掺杂剂0-5份、沥青20-60份。
2.根据权利要求1所述硅碳负极，其特征在于，所述有机硅为含有重复硅氧链的一类有机聚合物。
3.根据权利要求2所述硅碳负极，其特征在于，所述含有重复硅氧链的一类有机聚合物为甲基硅油、二甲基硅油、二乙基硅油、羟基硅油、含氢硅油、硅脂中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述硅碳负极，其特征在于，所述分散剂是指有助于石墨烯在硅油中分散的表面活性剂、相转移剂、硅偶联剂中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述硅碳负极，其特征在于，所述分散剂是全氟烷基磺酸盐、十六烷基三乙基溴化胺、聚氧乙烯醚、硅烷偶联剂550、570中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述硅碳负极，其特征在于，所述石墨烯是指多层石墨烯、多层氧化石墨烯、碳纳米管中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述硅碳负极，其特征在于，所述氮掺杂剂是指含氮元素有机化合物或聚合物。
8.根据权利要求7所述硅碳负极，其
9.根据权利要求1所述硅碳负极，其特征在于，所述沥青是指软化点120～300℃高软化点沥青。
10.一种权利要求1所述的硅碳负极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极，其特征在于，由如下重量份的原料组成：有机硅90-100份、分散剂1-5份、石墨烯3-10份、氮掺杂剂0-5份、沥青20-60份。
2.根据权利要求1所述硅碳负极，其特征在于，所述有机硅为含有重复硅氧链的一类有机聚合物。
3.根据权利要求2所述硅碳负极，其特征在于，所述含有重复硅氧链的一类有机聚合物为甲基硅油、二甲基硅油、二乙基硅油、羟基硅油、含氢硅油、硅脂中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述硅碳负极，其特征在于，所述分散剂是指有助于石墨烯在硅油中分散的表面活性剂、相转移剂、硅偶联剂中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述硅碳负极，其特征在于，所述分散剂是...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈建生，刘建文，王龙，胡丹，陈熙，李群寅，袁文博，
申请(专利权)人：湖北迈可凯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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