CN109244384B - 一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法。所述材料为纳米硅、多孔碳和石墨三者的复合材料；其制备方法包括步骤：按重量计，将10‑30份平均粒度为10‑20μm的碳化硅粉体平铺于石墨化炉炉芯中，然后将100份比表面积为50‑100 m2/g、平均粒度为15‑25μm的多孔碳材料平铺于碳化硅层之上，最后在多孔碳层上依次盖上石墨板和保温料；碳化硅层在2200℃‑2400℃温度下热分解2‑10小时，多孔碳层的温度控制在1400℃以下；物料冷却至室温后出炉；物料进行搅拌混匀，过300目筛网即制得锂离子电池负极材料。本发明大大提升了负极材料的能量密度，大幅改善了硅基负极材料的循环稳定性；同时该产品生产成本低廉。

Description

一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法。
背景技术
开发高能量密度、长循环寿命的锂离子电池对便携式电子产品和电动汽车的应用具有重大意义。为此，电极材料必须具有高的储锂容量和令人满意的循环稳定性。作为石墨负极的替代材料，硅具有已知的最高理论比容量(4200 mAh/g)和合适的充放电平台(0.4-0.5V)，被视为最有前途的负极材料。然而，硅在完全嵌锂形成合金Li22Si5时会发生高达300%的体积膨胀，导致电极粉化、与集流体分离和比容量的快速衰减，从而影响了电池的使用寿命。鉴于此，研究人员制备了硅纳米线、硅纳米管、硅薄膜等各种硅基纳米结构，缓解了充放电过程中电极的体积变化，提升了电池的循环使用寿命，极大地推动了硅基负极材料的发展。但硅纳米线、硅纳米管、硅薄膜等制备工艺复杂、成本高昂，只限于实验室少量合成，无法满足产业化需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法，以解决上述技术问题。
为实现上述目的本发明采用以下技术方案：
一种锂离子电池硅碳负极材料，所述负极材料是纳米硅、多孔碳和石墨三者的复合材料，其中纳米硅和石墨是原料碳化硅原位热分解生成的。
作为本发明进一步的方案，所述碳化硅为绿碳化硅，纯度＞99.9%，平均粒度为10-20 μm。
作为本发明进一步的方案，所述多孔碳材料，比表面积为50-100 m2/g，平均粒度为15-25 μm。
一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
1）、以重量计，称取10-30份碳化硅粉体平铺于石墨化炉炉芯中，将100份多孔碳材料平铺于碳化硅层之上，在多孔碳层上依次盖上石墨板和保温料；
2）、碳化硅层在2200℃-2400℃温度下热分解2-10小时，多孔碳层的温度控制在1400℃以下；
3）、物料冷却出炉后搅拌混匀，过300目筛网即制得锂离子电池负极材料。
根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述锂离子电池硅碳负极材料的平均粒度为16-28 μm，比表面积30-80 m2/g，首次克容量大于600 mAh/g，首次效率大于85.4%。
本发明的有益效果是：本发明以廉价的碳化硅作为纳米硅的前驱体，采用简单易控的热处理工艺原位生成纳米硅，生成的硅蒸气由于温度梯度沉积到多孔碳的孔隙中，为以后硅粉的体积膨胀预留了空间；本发明所制备的负极材料首次克容量大于600 mAh/g，首次效率大于85.4%，200周循环后容量保持率大于85%，有效解决了硅基负极材料循环性能较差的难题；同时本发明制备方法易于工业化实施。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明锂离子电池硅碳负极材料，是以多孔碳和碳化硅为原料，对碳化硅进行热分解，原位生成硅蒸气和高结晶度的石墨，硅蒸气沉积到多孔碳的孔隙内，形成纳米硅、多孔碳和石墨三者的复合材料。本发明所述负极材料中，纳米硅与多孔碳的重量比为0.07-0.21:1。
实施例1
以重量计，称取10份平均粒度为10.5 μm、纯度为99.92%的碳化硅和100份平均粒度为15.8 μm、比表面积为54.6 m2/g的多孔碳；将碳化硅平铺于石墨化炉炉芯中，将多孔碳材料平铺于碳化硅层之上，在多孔碳层上依次盖上石墨板和保温料；碳化硅层在2200℃温度下热分解2小时，多孔碳层的温度控制在1400℃以下；物料冷却出炉后搅拌混匀，过300目筛网即制得锂离子电池负极材料。
实施例2
以重量计，称取15份平均粒度为12.8 μm、纯度为99.93%的碳化硅和100份平均粒度为18.2 μm、比表面积为63.8 m2/g的多孔碳；将碳化硅平铺于石墨化炉炉芯中，将多孔碳材料平铺于碳化硅层之上，在多孔碳层上依次盖上石墨板和保温料；碳化硅层在2250℃温度下热分解4小时，多孔碳层的温度控制在1400℃以下；物料冷却出炉后搅拌混匀，过300目筛网即制得锂离子电池负极材料。
实施例3
以重量计，称取20份平均粒度为15.6 μm、纯度为99.93%的碳化硅和100份平均粒度为20.4 μm、比表面积为72.3 m2/g的多孔碳；将碳化硅平铺于石墨化炉炉芯中，将多孔碳材料平铺于碳化硅层之上，在多孔碳层上依次盖上石墨板和保温料；碳化硅层在2300℃温度下热分解6小时，多孔碳层的温度控制在1400℃以下；物料冷却出炉后搅拌混匀，过300目筛网即制得锂离子电池负极材料。
实施例4
以重量计，称取25份平均粒度为18.2 μm、纯度为99.93%的碳化硅和100份平均粒度为23.2 μm、比表面积为81.5 m2/g的多孔碳；将碳化硅平铺于石墨化炉炉芯中，将多孔碳材料平铺于碳化硅层之上，在多孔碳层上依次盖上石墨板和保温料；碳化硅层在2350℃温度下热分解8小时，多孔碳层的温度控制在1400℃以下；物料冷却出炉后搅拌混匀，过筛300筛网即制得锂离子电池负极材料。
实施例5
以重量计，称取30份平均粒度为19.8 μm、纯度为99.93%的碳化硅和100份平均粒度为24.8 μm、比表面积为96.5 m2/g的多孔碳；将碳化硅平铺于石墨化炉炉芯中，将多孔碳材料平铺于碳化硅层之上，在多孔碳层上依次盖上石墨板和保温料；碳化硅层在2400℃温度下热分解10小时，多孔碳层的温度控制在1400℃以下；物料冷却出炉后搅拌混匀，过300目筛网即制得锂离子电池负极材料。
采用Q/TEZI01-2001.5.7电化学容量的测试标准对实施例1-5所获得的负极材料进行检测，检测结果如下。
实施例 平均粒度(μm) 比表面积(m<sup>2</sup>/g) 首次容量(mAh/g) 首次效率(%) 200周容量保持率(%)
1 16.5 35.4 604.5 85.6 92.3
2 20.3 44.6 613.4 87.5 91.5
3 22.5 52.4 627.8 89.1 89.4
4 26.2 64.8 641.5 91.2 87.5
5 27.8 78.7 659.0 91.8 85.2
本发明所制备的负极材料首次克容量大于600 mAh/g，首次效率大于85.4%，200周循环后容量保持率大于85%，有效解决了硅基负极材料循环性能较差的难题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述负极材料是纳米硅、多孔碳和石墨三者的复合材料，其中纳米硅和石墨是原料碳化硅原位热分解生成的；
包括以下步骤：
1)、以重量计，称取10-30份碳化硅粉体平铺于石墨化炉炉芯中，将100份多孔碳材料平铺于碳化硅层之上，在多孔碳层上依次盖上石墨板和保温料；
2)、碳化硅层在2200℃-2400℃温度下热分解2-10小时，多孔碳层的温度控制在1400℃以下；
3)、物料冷却出炉后搅拌混匀，过300目筛网即制得锂离子电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述碳化硅为绿碳化硅，纯度＞99.9％，平均粒度为10-20μm。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述多孔碳材料，比表面积为50-100m2/g，平均粒度为15-25μm。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述锂离子电池硅碳负极材料的平均粒度为16-28μm，比表面积30-80m2/g，首次克容量大于600mAh/g，首次效率大于85.4％。
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