一种原位双层包覆硅碳负极材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种原位双层包覆硅碳负极材料及其制备方法，通过亚微米硅和含有羟基的有机溶剂在加热的条件下进行预反应，在亚微米级硅表面原位生成一层致密的二氧化硅包覆层；通过加热溶解以及喷雾干燥等工艺得到有机碳源均匀包覆的粉料；然后通过低温焙烧的方式，保证碳的原位包覆效果，有效避免高温焙烧过程中由于有机碳源软化而导致硅颗粒的黏连烧结，避免后续粉碎过程中对硅包覆层的破坏；最后通过和石墨类负极材料均匀混合以及高温焙烧碳化等手段得到最终产品。本发明包覆层均匀致密不仅可以提高复合材料的电子导电性，而且可以抑制硅的体积膨胀；且由于低温焙烧工艺的引入，抑制了硅颗粒的黏连和烧结；操作简单，成本低廉，适用于产业化生产。

权利要求

1.一种原位双层包覆硅碳负极材料的制备方法，其特征在于,包括如下步骤：

1)将粒度D50≤100nm的亚微米级硅、含有羟基的有机溶剂和可溶于有机溶剂的有机碳源加入充满惰性气体气氛的密闭搅拌容器中，原位预反应得到浆料I，预反应时间为4h～

8h；

2)将所述浆料I在惰性气氛中进行喷雾干燥，得到物料II，喷雾干燥温度为80～100℃；

3)将所述物料II在惰性气氛中进行低温焙烧，得到物料III，焙烧温度为350～400℃；

4)将所述物料III进行粉碎，得到物料IV，粉碎后粒度≤1μm；

5)将所述物料IV和石墨类负极进行混合，得到物料V；

6)将所述物料V惰性气氛中进行高温焙烧，焙烧温度为900～1000℃，焙烧时间为2h～

8h，得到物料VI，经粉碎、过筛后即得到最终原位双层包覆硅碳负极材料。

2.根据权利要求1所述原位双层包覆硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤

1)中搅拌容器内的温度为60～70℃，搅拌速度为200～300转/分钟 ，预反应时间为2h～4h。

3.根据权利要求1所述原位双层包覆硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤

1)中有机溶剂为甲醇和乙醇中的一种；有机碳源为聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮中的一种。

4.根据权利要求1所述原位双层包覆硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤

1)中亚微米硅质量/有机溶剂质量＝1/4～1/3，有机碳包覆硅的碳质量含量为2％～5％。

5.根据权利要求1所述原位双层包覆硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤

5)中所述石墨为人造石墨和天然石墨中的一种。

6.根据权利要求1所述原位双层包覆硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤

1)、2)、3)、6)中所述惰性气氛为氮气气氛、氦气气氛和氩气气氛中的任意一种。

7.如权利要求1～6任一项所述原位双层包覆硅碳负极材料的制备方法制得的原位双层包覆硅碳负极材料。

说明书

一种原位双层包覆硅碳负极材料及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及锂离子二次电池负极材料领域，尤其涉及一种原位双层包覆硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 动力电池是新能源汽车的核心部分，其中锂离子电池在成本、能量密度方面具有明显优势，将能够大幅度提升新能源汽车经济性和使用的便利性，锂离子电池体系中正极材料是决定性因素。新能源汽车应全部或部分采用电力驱动，与传统燃油汽车相比，能够减少燃料消耗，但是目前新能源汽车在全生命周期内燃料消耗节省的费用尚不能抵消所增加的成本。若纯电动汽车续航里程达到400公里，在电池系统成本降低至1.0元/Wh以下的条件下，全生命周期内的经济性能够接近传统燃油汽车。提升新能源汽车的使用便利性，增加纯电驱动行驶的续航里程是关键。为增加续航里程，必须增加搭载动力电池系统存储的能量，在不显著增加新能源汽车重量和体积的前提下，必须提高动力电池的比能量和能量密度。若纯电动汽车续航里程达到400公里，动力电池系统比能量需要提升至250Wh/kg左右，单体电池比能量需提升到350Wh/kg。

[0003] 为了提高动力电池比能量密度，最有效的手段是提高正负极材料的比容量。硅材料的理论比容量为4200mAh/g，是石墨类负极的10倍以上，为350Wh/kg及以上锂离子动力电池首选的负极体系。但硅在吸锂过程中会产生巨大的体积膨胀(＞300％)，导致材料粉化脱落以及持续产生SEI膜，循环性能急剧下降，影响了其实际应用。

发明内容

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种提高复合材料的电子导电性，而且可以抑制硅的体积膨胀的原位双层包覆硅碳负极材料及其制备方法。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种原位双层包覆硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：

[0006] 1)将粒度D50≤100nm的亚微米级硅、含有羟基的有机溶剂和可溶于有机溶剂的有机碳源加入充满惰性气体气氛的密闭搅拌容器中，原位预反应得到浆料I,预反应时间为4h～8h；

[0007] 2)将所述浆料I在惰性气氛中进行喷雾干燥，得到物料II，喷雾干燥温度为80～100℃；

[0008] 3)将所述物料II在惰性气氛中进行低温焙烧，得到物料III，焙烧温度为350～400℃；

[0009] 4)将所述物料III进行粉碎，得到物料IV，粉碎后粒度≤1μm；

[0010] 5)将所述物料IV和石墨类负极进行混合，得到物料V；

[0011] 6)将所述物料V惰性气氛中进行高温焙烧，焙烧温度为900～1000℃，焙烧时间为2h～8h，得到物料VI，经粉碎、过筛后即得到最终原位双层包覆硅碳负极材料。

[0012] 所述步骤1)中搅拌容器内的温度为60～70℃，搅拌速度为200～300转/分种，预反应时间为2h～4h。

[0013] 所述步骤1)中有机溶剂为甲醇和乙醇中的一种；有机碳源为聚乙二醇和聚乙烯吡咯烷酮中的一种。

[0014] 所述步骤1)中亚微米硅质量/有机溶剂质量＝1/4～1/3，有机碳质量/硅质量＝。

[0015] 所述步骤5)中所述石墨为人造石墨和天然石墨中的一种。

[0016] 所述步骤1)、2)、3)、6)中所述惰性气氛为氮气气氛、氦气气氛和氩气气氛中的任意一种。

[0017] 上述原位双层包覆硅碳负极材料的制备方法制得的原位双层包覆硅碳负极材料。

[0018] 本发明首先通过亚微米硅和含有羟基的有机溶剂在加热的条件下进行预反应，在亚微米级硅表面原位生成一层致密的二氧化硅包覆层；同时利用有机碳源在有机溶剂中具有较大溶解度的特性，通过加热溶解以及喷雾干燥等工艺得到有机碳源均匀包覆的粉料；然后通过低温焙烧的方式，即保证了碳的原位包覆效果，又有效避免了高温焙烧过程中由于有机碳源软化而导致硅颗粒的黏连烧结，避免了后续粉碎过程中对硅包覆层的破坏；最后通过和石墨类负极材料均匀混合以及高温焙烧二次碳化等手段得到最终产品。

[0019] 本发明的有益效果是：原位生成的氧化硅包覆层和碳包覆层均匀致密不仅可以提高复合材料的电子导电性，而且可以抑制硅的体积膨胀；且由于低温焙烧工的引入，抑制了硅颗粒的黏连和烧结；本工艺操作简单，成本低廉，非常适用于产业化生产。

附图说明

[0020] 图1为本发明原位双层包覆硅碳负极材料的工艺流程图。

具体实施方式

[0021] 以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

[0022] 实施例1

[0023] 一种原位双层包覆硅碳负极材料及其制备方法，包括如下步骤：

[0024] 1)将粒度D50＝90nm的亚微米级硅100g、甲醇300g和聚乙二醇10g加入充满氮气气氛的密闭搅拌容器中，原位预反应得到浆料I，所述搅拌容器内的温度为60℃，搅拌速度为200转/分钟，预反应时间为4h；

[0025] 2)将所述浆料I在氮气气氛中进行喷雾干燥，得到物料II，喷雾干燥温度为80℃；

[0026] 3)将所述物料II在惰性气氛中进行低温焙烧，得到物料III，焙烧温度为350℃；

[0027] 4)将所述物料III进行粉碎，得到物料IV，粉碎后粒度D50＝0.9μm；

[0028] 5)将所述物料IV50g和人造石墨负极950g进行混合，得到物料V；

[0029] 6)将所述物料V惰性气氛中进行高温焙烧，焙烧温度为900℃，焙烧时间为8h，得到物料VI，经粉碎、过筛后即得到最终硅碳负极材料。

[0030] 对比例1

[0031] 同实施例1相比步骤1)搅拌器不加热，其余步骤均相同。

[0032] 实施例2

[0033] 一种原位双层包覆硅碳负极材料及其制备方法，包括如下步骤：

[0034] 1)将粒度D50＝90nm的亚微米级硅100g、乙醇400g和聚乙二醇20g加入充满氮气气氛的密闭搅拌容器中，原位预反应得到浆料I，所述搅拌容器内的温度为70℃，搅拌速度为200转/分钟，预反应时间为8h；

[0035] 2)将所述浆料I在氮气气氛中进行喷雾干燥，得到物料II，喷雾干燥温度为100℃；

[0036] 3)将所述物料II在惰性气氛中进行低温焙烧，得到物料III，焙烧温度为400℃；

[0037] 4)将所述物料III进行粉碎，得到物料IV，粉碎后粒度D50＝0.9μm；

[0038] 5)将所述物料IV50g和人造石墨负极850g进行混合，得到物料V；

[0039] 6)将所述物料V惰性气氛中进行高温焙烧，焙烧温度为1000℃，焙烧时间为2h，得到物料VI，经粉碎、过筛后即得到最终硅碳负极材料。

[0040] 对比例2

[0041] 同实施例1相比步骤3)为450℃，其余步骤均相同。

[0042] 实施例3

[0043] 一种原位双层包覆硅碳负极材料及其制备方法，包括如下步骤：

[0044] 1)将粒度D50＝90nm的亚微米级硅100g、乙醇400g和聚乙烯吡咯烷酮10g加入充满氮气气氛的密闭搅拌容器中，原位预反应得到浆料I，所述搅拌容器内的温度为70℃，搅拌速度为300转/分钟，预反应时间为8h；

[0045] 2)将所述浆料I在氮气气氛中进行喷雾干燥，得到物料II，喷雾干燥温度为100℃；

[0046] 3)将所述物料II在惰性气氛中进行低温焙烧，得到物料III，焙烧温度为400℃；

[0047] 4)将所述物料III进行粉碎，得到物料IV，粉碎后粒度D50＝0.9μm；

[0048] 5)将所述物料IV50g和天然石墨负极950g进行混合，得到物料V；

[0049] 6)将所述物料V惰性气氛中进行高温焙烧，焙烧温度为1000℃，焙烧时间为2h，得到物料VI，经粉碎、过筛后即得到最终硅碳负极材料。

[0050] 实施例4

[0051] 一种原位双层包覆硅碳负极材料及其制备方法，包括如下步骤：

[0052] 1)将粒度D50＝90nm的亚微米级硅100g、乙醇300g和聚乙烯吡咯烷酮10g加入充满氮气气氛的密闭搅拌容器中，原位预反应得到浆料I，所述搅拌容器内的温度为70℃，搅拌速度为300转/分钟，预反应时间为4h；

[0053] 2)将所述浆料I在氮气气氛中进行喷雾干燥，得到物料II，喷雾干燥温度为100℃；

[0054] 3)将所述物料II在惰性气氛中进行低温焙烧，得到物料III，焙烧温度为400℃；

[0055] 4)将所述物料III进行粉碎，得到物料IV，粉碎后粒度D50＝0.7μm；

[0056] 5)将所述物料IV50g和天然石墨负极950g进行混合，得到物料V；

[0057] 6)将所述物料V惰性气氛中进行高温焙烧，焙烧温度为1000℃，焙烧时间为2h，得到物料VI，经粉碎、过筛后即得到最终硅碳负极材料。

[0058] 实验情况：

[0059] 表1列出了实施例1～4以及对比例1～2制得的硅碳负极材料制成实效电池的性能。实效电池的测试条件为，ICP053048，1C，3.0～4.2V，使用的充放电设备为兰电充放电仪。

[0060] 表1实效电池性能测试表

[0061]

[0062] 由表中数据可以看出，各实施例制得的硅碳负极材料没有发生明显鼓胀，且循环性能优异；而对比例则发生了明显鼓胀，且循环性能较差，主要原因是：对比例1由于没有氧化硅包覆层；对比例2由于第一次高温焙烧后硅颗粒黏连烧结，粉碎难度很大，破坏了碳包覆层。

[0063] 综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，相同领域内的有识之士可以在本发明的技术指导思想之内可以轻易提出其他的实施例，但这种实施例都包括在本发明的范围之内。