CN108807953A - 一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备方法。通过钛酸酯改性氧化亚硅，再进行碳纳米管和沥青包覆制备纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料，硅基材料能够极大提高容量、氧化亚硅相对纯硅有更小的体积膨胀，可以得到高性能的复合石墨负极容量高于目前石墨负极材料的水平，首次效率、循环性能、安全性能、稳定性及可靠性等方面均有显著提升。

Description

一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备 方法
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备方法，属于新能源材料技术领域，涉及一种复合负极材料制备方法，尤其涉及一种高容量复合负极材料制备方法的技术领域。
背景技术
锂离子电池因其电压高、能量密度高、循环寿命长、环境污染小等优点倍受青睐。作为绿色环保的二次储存能源，锂离子电池具有轻便、移动、高能量、绿色环保等优势。但随着电子信息技术的快速发展，通讯基站、视听设备，工业仪器、医疗器械、手机、笔记本电脑、电动工具、电动自行车乃至电动汽车对锂电池需求量的不断增加，对锂离子电池的能量密度、循环次数、安全性能、生产成本等综合性能也提出了更高的要求。生产品质优良、适销对路的锂离子电池材料，是各生产厂家的必然选择。因此无论是提高能源利用效率、减少不可再生资源消耗还是开发新能源，都与材料产业的创新发展密不可分。锂电池负极材料处于锂电池产业中游的最核心的环节之一，按电池成本分布，锂电池负极材料及其他占比锂离子电池总成本的28%左右。负极材料作为目前锂离子电池中的关键的材料之一，它的发展也最值得关注。
锂离子电池是便携式电子设备、电动汽车及储能***的理想电源，开发比能量高、安全性好以及成本低廉的新型电极材料是锂离子电池研究领域的核心内容。
我国在“十三五”新能源汽车试点专项的共性关键技术类研究项目“高比能量锂离子电池技术”中提出：到 2020年，电池单体能量密度≥300 Wh/kg，循环寿命≥1500 次，成本≤0.8 元/Wh，安全性能达到国标要求。工信部发布的《中国制造2025》中，2020年动力锂离子电池电芯能量密度期望达到350Wh/kg。实现上述目标的关键技术之一是负极材料从石墨转变为硅基材料。
目前成熟的锂离子电池负极材料主要为石墨类材料，其理论比容量仅为372mAh/g，发展潜力有限，无法满足未来锂离子电池对高能量密度的需求。氧化亚硅材料具有较高的理论比容量（>2000mAh/g），较低的储锂反应电压平台，且制备成本低廉，因此成为替代石墨的极具潜力的一类负极材料。但氧化亚硅的导电性较差，性质接近绝缘体，导致其电化学反应的动力学性能较差。而且氧化亚硅材料中包含的SiO2在首次嵌锂反应中转变成Li4SiO4，Li2Si2O5等物相，消耗较多的锂离子，致使首次充放电效率较低（<70%）。因此，研发一种高导电性、高首次充放电效率及循环稳定性好的氧化亚硅负极材料是锂离子电池领域的技术难题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备方法，其特征包括如下步骤：（1）将SiO颗粒与钛酸酯充分混合并包埋，得到的均质材料与碳纳米管分散液混合，干燥并分离得到混合粉末；（2）添加PEG于该混合粉末中，并将该混合粉末悬浮于溶剂中混合均匀；（3）将该混合粉末与沥青混合，在惰性气体保护下分步烧结，得到硅碳包覆的氧化亚硅负极材料。氧化亚硅的粒径为20-50nm。
溶剂为二氯亚砜、二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的一种或多种。
混合粉末与PEG质量比为100:30-100:80。
惰性气体为氮气或含氩气的氮气。
分步烧结步骤为：在200-350℃下进行初烧结2h，再在950-1050℃下进行再烧结6-12h。
本发明所达到的有益效果：
本发明的方法通过将有机碳源、纳米氧化亚硅、碳纳米管混合并经过包覆和分步烧结，制备得到高容量的复合负极材料，硅基材料能够极大提高容量、氧化亚硅相对纯硅有更小的体积膨胀，可以得到高性能的复合石墨负极容量高于目前石墨负极材料的水平，首次效率、循环性能、安全性能、稳定性及可靠性等方面均有显著提升，产品可广泛用于新能源汽车、数码电子和储能等领域。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备方法，其特征包括如下步骤：（1）将粒径为20nm的SiO颗粒与钛酸酯充分混合并包埋，得到的均质材料与碳纳米管分散液混合，干燥并分离得到混合粉末；（2）添加100gPEG于30g该混合粉末中，并将该混合粉末悬浮于DMF中混合均匀；（3）将该混合粉末与沥青混合，在氮气保护下在200℃下进行初烧结2h，再在950℃下进行再烧结6h，得到硅碳包覆的氧化亚硅负极材料。
实施例2
一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备方法，其特征包括如下步骤：（1）将粒径为50nm的SiO颗粒与钛酸酯充分混合并包埋，得到的均质材料与碳纳米管分散液混合，干燥并分离得到混合粉末；（2）添加100gPEG于50g该混合粉末中，并将该混合粉末悬浮于二甲亚砜中混合均匀；（3）将该混合粉末与沥青混合，在氮气与氩气保护下在300℃下进行初烧结2h，再在1000℃下进行再烧结10h，得到硅碳包覆的氧化亚硅负极材料。
实施例3
一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备方法，其特征包括如下步骤：（1）将粒径为30nm的SiO颗粒与钛酸酯充分混合并包埋，得到的均质材料与碳纳米管分散液混合，干燥并分离得到混合粉末；（2）添加100gPEG于80g该混合粉末中，并将该混合粉末悬浮于二氯亚砜中混合均匀；（3）将该混合粉末与沥青混合，在氮气保护下在350℃下进行初烧结2h，再在1050℃下进行再烧结12h，得到硅碳包覆的氧化亚硅负极材料。
实施例4
一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备方法，其特征包括如下步骤：（1）将粒径为40nm的SiO颗粒与钛酸酯充分混合并包埋，得到的均质材料与碳纳米管分散液混合，干燥并分离得到混合粉末；（2）添加100gPEG于40g该混合粉末中，并将该混合粉末悬浮于DMF中混合均匀；（3）将该混合粉末与沥青混合，在氮气保护下在250℃下进行初烧结2h，再在1000℃下进行再烧结8h，得到硅碳包覆的氧化亚硅负极材料。
采用常规方法进行电池测试，该电极材料首次放电比容量为838.2-911.6Ah/g，首次充电比容量为667.3-684.5 mAh/g，充电容量为728.6-736.6 mAh/g
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种锂离子电池纳米氧化亚硅的硅碳复合负极材料的制备方法，其特征包括如下步骤：
（1）将SiO颗粒与钛酸酯充分混合并包埋，得到的均质材料与碳纳米管分散液混合，干燥并分离得到混合粉末；
（2）添加PEG于该混合粉末中，并将该混合粉末悬浮于溶剂中混合均匀；
（3）将该混合粉末与沥青混合，在惰性气体保护下分步烧结，得到硅碳包覆的氧化亚硅负极材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备方法，其特征是，氧化亚硅的粒径为20-50nm。
3.根据权利要求1所述的一种制备方法，其特征是，溶剂为二氯亚砜、二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种制备方法，其特征是，混合粉末与PEG质量比为100:30-100:80。
5.根据权利要求1所述的一种制备方法，其特征是，惰性气体为氮气或含氩气的氮气。
6.根据权利要求1所述的一种制备方法，其特征是，分步烧结步骤为：在200-350℃下进行初烧结2h，再在950-1050℃下进行再烧结6-12h。
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