CN109524627A - 氧含量可控的SiOx负极材料及制备方法和锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体地说是一种氧含量可控的SiOx负极材料及制备方法和锂离子电池，其特征在于，包括如下处理步骤：固相球磨得无定形硅与无定形二氧化硅均匀接触的粉料；混捏；初步炭化破碎；表面改性；氢气保护热处理。本发明同现有技术相比，制备的SiOx负极材料含有部分晶化的SiOx晶粒、颗粒内部均匀的缓冲结构；可调控的氧含量、良好的导电性以及有效的合成手段；所得SiOx材料具有高比容量(＞1400mAh/g)、高首次充放电效率(＞78％)的特点，生产效率高、成本低、便于进行工业化生产；适用于高容量锂离子电池负极材料批量制备。

Description

氧含量可控的SiOx负极材料及制备方法和锂离子电池
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体地说是一种氧含量可控的SiOx负极材料及制备方法和锂离子电池。
背景技术
开发和研究新型高容量动力电池负极材料可以解决目前电动汽车(EV)续航里程的短板，有利于新能源汽车的进一步推广。由于Si具有较高的理论嵌锂容量(约4200mAh/g)和较为适中的嵌脱锂电位，以Si为储锂母体的研究已成为负极材料的开发热点。粉末硅作为电极活性材料目前的主要问题在于其导电性差和严重的体积效应，导致充放电的稳定性差。
为了提升硅材料作为负极使用时的首次效率和循环特性，有必要对硅的晶形、颗粒尺寸、搭配和表面性能等参数进行优化。
科技论文“A high tap density secondary silicon particle anodefabricated by scalable mechanical pressing for lithium-ion batteries(Energy &Environmental Science 2015，8，2371)”描述了通过溶剂中正硅酸乙酯(TEOS)水解获得纳米Si外层包覆SiO2，之后再压型、破碎、包覆从而获得负极材料的方法。这种方法虽然获得了Si和SiO2复合材料，但需要首先得到小于100nm的硅原料，批量、均一化制备时TEOS的水解和纳米硅的团聚控制是个挑战，高压成型过程中硅颗粒较容易团聚，最终碳包覆涉及十六烷基三甲基溴化铵调控下苯酚、甲醛聚合的聚合反应。所得负极材料中的氧含量不确定，整套方法的成本、工艺要求极高，难以进行工业化生产。
与晶体硅相比，无定形硅在充放电过程的体积变化更小(Nano Lett.2013，13，758-764)，中国发明专利CN 106299318A，公布了一种通过化学刻蚀去除硅材料表面氧化层，然后煅烧的方式获得无定形硅负极。经扣式电池测试首次充电比容量1137mAh/g，首次效率74％。所述方法虽然可以得到无定形硅负极材料，但由于所得结构为单晶硅嵌入在无定形硅基体内，仍然难以解决硅材料巨大的体积膨胀效应，首次效率偏低，同时所述制备方法包含刻蚀工艺，成本较高。
科技论文“Investigation of the irreversible reaction mechanism and thereactive trigger on SiO anode material for lithium-ion battery(Journal of theCeramic Society of Japan 119[11]855-8602011)”证明了与晶体SiO2相比的区别在于，无定形SiO2在充放电过程中可以与锂离子反应。在Si和SiO2的复合体系中，SiO2与锂反应生成的Li4SiO4可以作为缓冲物质而改善硅负极的循环。SiO2的含量直接决定了氧的含量以及材料整体电化学性能，这对于下游应用意义巨大。针对SiOx材料，现有方法还不能进行有效的调控，因此，目前急需一种适用于大规模生产且可以针对氧含量进行调控的制备方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种氧含量可控、性能稳定而易于产业化的SiOx负极材料制备方法。
为实现上述目的，设计一种氧含量可控的锂离子电池用SiOx负极材料制备方法，其特征在于，包括如下处理步骤：
步骤一、固相球磨：将平均粒径为1～20μm纯度＞99.9％的无定形硅、平均粒径为1～20μm纯度＞99.9％无定形二氧化硅、环己烷三种原料投入高速球磨机中球磨至平均粒径为0.5～2μm，干燥后获得无定形硅与无定形二氧化硅均匀接触的粉料；所述无定形硅∶无定形二氧化硅的重量比＝5∶1～1∶1；
步骤二、混捏：将上述球磨后粉料、粘结剂加入捏合机中混合均匀后，在50～200℃加热挤压成块体；粘结剂占球磨后粉料重量的3～15％；
步骤三、初步炭化破碎：将所得块体在500～600度初步炭化5～10小时后，粉碎至3～10μm的炭化粉体；
步骤四、表面改性：将上述粉碎后3～10μm的炭化粉体与沥青投入搅拌式加热釜中充分混合，添加的沥青占混合物的1～10wt％，然后升温至400～650℃反应1～10h，使沥青软化、分解，然后降温至室温出料，并过筛，筛网选择250～500目；
步骤五、氢气保护热处理：改性过筛后的出料进入气氛炉以700～1050℃炭化1～6h，炭化时所选保护性气氛为氦气、氩气或氮气的任一种，即得SiOx负极材料，所述的x为0～2的实数。
步骤一中所述的环己烷占无定形硅与无定形二氧化硅总重量的3～20％。
步骤一中所述球磨时间为1～10h。
步骤二中所述的粘结剂为煤油沥青、石油沥青、古马隆树脂、环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、糠醛树脂的一种或多种。
步骤二中所述的混捏温度为50～200℃，混捏时间为1～10h，经过混压后，所得压型品的形状为圆柱体或方块体。
步骤三中所述初步炭化为在箱式炉中，以400～650℃炭化1～6h；初步炭化时箱式炉中的保护性气氛为氦气、氩气或氮气的任一种。
步骤三中所述粉碎采用气流粉碎机、机械磨、对辊的一种或几种组合。
步骤四中所述沥青为煤油、石油沥青中的一种或几种。
所述的SiOx负极材料为核壳结构，表层由无定形导电碳层组成，内核由多个单晶硅晶核嵌入在无定型二氧化硅结构中，硅活性成份之间有部分碳缓冲层以及少量微孔结构。
含有所述SiOx负极材料的锂离子电池。
本发明同现有技术相比，制备的SiOx负极材料含有部分晶化的SiOx晶粒、颗粒内部均匀的缓冲结构；可调控的氧含量、良好的导电性以及有效的合成手段；所得SiOx材料具有高比容量(＞1400mAh/g)、高首次充放电效率(＞78％)的特点，生产效率高、成本低、便于进行工业化生产；适用于高容量锂离子电池负极材料批量制备。
附图说明
图1为本发明中实施例1所得样品的XRD图谱。
图2为本发明中实施例1所得样品的SEM图片。
图3为本发明中实施例1所得样品的扣电充放电曲线。
图4为本发明中实施例2所得样品的扣电充放电曲线。
具体实施方式
以下的具体实施例对本发明进行了详细的描述，然而本发明并不限制于以下实施例。
本发明中混捏设备为高速混捏机或加压混捏机或连续混捏机中的任一种。
加热釜可采用立式锥形，内部含有三层刮刀。
实施例1
按摩尔比Si∶SiO2＝1∶1，选择则粒径(D50)为3μm的无定形硅(纯度＞99.9％)2.0kg、粒径(D50)为5μm的无定形二氧化硅(＞99.9％)4.284kg、环己烷600ml投入高速球磨机中球磨至粒径为1μm，转移至鼓风干燥箱中80度干燥10小时；
将上述球磨后物料、占球磨后物料粘结剂投入高速混捏机中混合均匀后在150℃混合2h后挤压成型。
挤压成型后所得块体在550度初步炭化10小时，然后用气流粉碎处理至D50＝4μm。
将上述粉碎后粉体与沥青投入锥形搅拌式加热釜中充分混合、升温至700℃，反应10小时，使沥青软化、分解，然后降温至室温，过350目筛。其中所述的沥青占混合物的5wt％。
改性过筛后的出料后将所得材料在氮气保护气氛下以2℃/min速度升温至1050度，保温2h然后自然降温。所制备材料的XRD，SEM结果见图1和图2。
实施例2
按摩尔比Si∶SiO2＝2∶1，选择则粒径(D50)为3μm的无定形硅(纯度＞99.9％)3.0kg、粒径(D50)为5μm的无定形二氧化硅(＞99.9％)3.214g、环己烷150ml投入高速球磨机中球磨至粒径为2μm，转移至鼓风干燥箱中80度干燥10小时。
将上述球磨后物料、占球磨后物料7wt％粘结剂投入高速混捏机中混合均匀后在110℃混合5h后挤压成型。
挤压成型后所得块体在550度初步炭化10小时，然后用气流粉处理至D50＝4μm。
将上述粉碎后粉体与沥青投入锥形搅拌式加热釜中充分混合、升温至700℃，反应10小时，使沥青软化、分解，然后降温至室温，过350目筛。其中所述的沥青占混合物的5wt％。
改性过筛后的出料进入气氛炉在1050度炭化处理5h。
分别用实施例1和2所得最终硅碳复合材料作为扣式锂离子电池负极活性物质，制作步骤如下：
1.配料和搅拌∶按活性物质∶导电剂∶CMC∶SBR＝80∶10∶5∶5，搅拌后得到粘稠浆状；
2.将浆料涂布在铜箔上制作极片，涂布完成后进行辊压，然后再120度烘烤4小时；
3.组装电池：锂片为负极，聚丙烯为隔膜，加入电解液组装成扣式电池。
采用Aribin测试柜，电压量程0.01-1.5V，倍率为0.1C评价材料电化学性能。用实施例1和2所得材料制作的扣式充放电曲线如图3和图4。表1是实施例1和2所得样品制作扣电测试具体结果。
表1.实施例1和实施例2所得样品氧含量及扣电测试结果。
表中氧含量(a)表示通过Leco ON836测试所得样品中的氧含量。

Claims (10)

1.一种氧含量可控的锂离子电池用SiOx负极材料制备方法，其特征在于，包括如下处理步骤：
步骤一、固相球磨：将平均粒径为1～20μm纯度＞99.9％的无定形硅、平均粒径为1～20μm纯度＞99.9％无定形二氧化硅、环己烷三种原料投入高速球磨机中球磨至平均粒径为0.5～2μm，干燥后获得无定形硅与无定形二氧化硅均匀接触的粉料；所述无定形硅∶无定形二氧化硅的重量比＝5∶1～1∶1；
步骤二、混捏：将上述球磨后粉料、粘结剂加入捏合机中混合均匀后，在50～200℃加热挤压成块体；粘结剂占球磨后粉料重量的3～15％；
步骤三、初步炭化破碎：将所得块体在500～600度初步炭化5～10小时后，粉碎至3～10μm的炭化粉体；
步骤四、表面改性：将上述粉碎后3～10μm的炭化粉体与沥青投入搅拌式加热釜中充分混合，添加的沥青占混合物的1～10wt％，然后升温至400～650℃反应1～10h，使沥青软化、分解，然后降温至室温出料，并过筛，筛网选择250～500目；
步骤五、氢气保护热处理：改性过筛后的出料进入气氛炉以700～1050℃炭化1～6h，炭化时所选保护性气氛为氦气、氩气或氮气的任一种，即得SiOx负极材料，所述的x为0～2的实数。
2.如权利要求1所述的一种氧含量可控的锂离子电池用SiOx负极材料制备方法，其特征在于，步骤一中所述的环己烷占无定形硅与无定形二氧化硅总重量的3～20％。
3.如权利要求1所述的一种氧含量可控的锂离子电池用SiOx负极材料制备方法，其特征在于，步骤一中所述球磨时间为1～10h。
4.如权利要求1所述的一种氧含量可控的锂离子电池用SiOx负极材料制备方法，其特征在于，步骤二中所述的粘结剂为煤油沥青、石油沥青、古马隆树脂、环氧树脂、酚醛树脂、丙烯酸树脂、糠醛树脂的一种或多种。
5.如权利要求1所述的一种氧含量可控的锂离子电池用SiOx负极材料制备方法，其特征在于，步骤二中所述的混捏温度为50～200℃，混捏时间为1～10h，经过混压后，所得压型品的形状为圆柱体或方块体。
6.如权利要求1所述的一种氧含量可控的锂离子电池用SiOx负极材料制备方法，其特征在于，步骤三中所述初步炭化为在箱式炉中，以400～650℃炭化1～6h；初步炭化时箱式炉中的保护性气氛为氦气、氩气或氮气的任一种。
7.如权利要求1所述的一种氧含量可控的锂离子电池用SiOx负极材料制备方法，其特征在于，步骤三中所述粉碎采用气流粉碎机、机械磨、对辊的一种或几种组合。
8.如权利要求1所述的一种氧含量可控的锂离子电池用SiOx负极材料制备方法，其特征在于，步骤四中所述沥青为煤油、石油沥青中的一种或几种。
9.如权利要求1～8任一项所述的制备方法制得的SiOx负极材料，其特征在于，所述的SiOx负极材料为核壳结构，表层由无定形导电碳层组成，内核由多个单晶硅晶核嵌入在无定型二氧化硅结构中，硅活性成份之间有部分碳缓冲层以及少量微孔结构。
10.含有权利要求9所述SiOx负极材料的锂离子电池。
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