CN109524629A - 一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体地说是一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，采用如下制备步骤：磷片石墨料表面羟基化；纳米硅粉料表面羟基化；制作石墨浆料；制作纳米硅粉浆料；石墨浆料、纳米硅粉浆料混合制备混合浆料；混合浆料干燥制粉；球形设备整形处理；分级处理；包覆处理；过筛得成品。本发明同现有技术相比，制备工艺简单；制备的材料在充当锂电池负极材料所用时材料结构稳定；制备的材料与常规的通过一次颗粒简单造粒的二次颗粒材料相比，循环稳定性得到提升，延长了材料的使用寿命。

Description

一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体地说是一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法。
背景技术
锂离子二次电池在我们生活中扮演的角色越来越重要。从3C产品到电动汽车再到储能领域，处处可见锂离子二次电池的身影。锂离子二次电池负极材料多为天然石墨、人造石墨、中间相等各种石墨类材料。石墨的理论嵌锂比容量为372mAh/g，而目前石墨类负极材料在半电池中的实际脱锂容量已达365mAh/g，很难进一步提升。以18650圆柱电池为例，若以石墨为负极，通常只能设计出2.9Ah的电池，如继续提高能量密度，石墨类负极材料无法满足要求，因此，必须开发新型的负极材料。作为新型负极材料，单质硅、氧化亚硅或者两者的复合材料显示出了较高的比容量。单质硅的理论比容量为4200mAh/g，氧化亚硅理论比容量2043mAh/g，脱锂电位平台0.45V左右，在容量和安全性能上都要优于石墨。
硅或者氧化亚硅这类硅基材料，其电性能缺陷也很明显，主要是硅基材料在脱嵌锂过程中会产生100～300％的体积膨胀，巨大的体积变化会导致集流体上的活性物质结构破裂、粉化，活性物质从集流体上脱落，电池的使用寿命会急遽下降。氧化亚硅与硅单质相比，其理论比容量低，但在脱嵌锂过程中结构稳定性优于硅单质，因此，氧化亚硅较单质硅在循环上具有优势。缺点是氧化亚硅中存在氧元素，会与锂发生反应，造成不可逆容量高，首次效率低。而对于另一种材料单质硅来说，其结构中不存在氧，在充放电过程冲，不会消耗过多的锂，因此，首次效率高。
对于基于单质硅为原料出发的硅碳制备方法，通常采用纳米级单质硅为硅源，将纳米单质硅和其它高分子碳源或石墨进行复合造粒。这种制备工艺的核心思想是将几种不同种类的颗粒进行简单粘结复合造粒，而这种复合材料的结构不稳定。在锂电池中随着循环次数的增加，结构被破坏，容量快速下降。例如喷雾造粒等，这种二次颗粒在脱锂过程中，结构不稳定，颗粒内部粉化，颗粒的离子通道受阻，锂电池的容量衰减快。
发明内容
本发明的目的主要针对解决现有复合材料的结构稳定性差、导致锂电池容量衰减快的问题，提供了一种采用基于纳米单质硅为硅源的新型稳定结构的硅碳复合材料。
为实现上述目的，设计一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，采用如下制备步骤：
(1)取中值粒径D50＝5～25um、碳含量99.0％的磷片石墨，置于具有加热功能的滚筒炉中，通入水蒸气，水蒸气流量0.5～0.8ml/min；滚筒炉以3～5℃/min升温至200℃～500℃，恒温0.5～1h，恒温结束，自然降温，得到表面已羟基化的磷片石墨料A；
(2)取中值粒径D50＝30～150nm、纯度99.9％的纳米硅粉，置于具有加热功能的滚筒炉中，通入水蒸气，水蒸气流量0.2～0.5ml/min；滚筒炉以3～5℃/min升温至500℃～700℃，恒温0.5～1h，恒温结束，自然降温，得到表面已羟基化的纳米硅粉料B；
(3)取已羟基化的磷片石墨料A，溶于无水乙醇溶剂中，搅拌分散30min，搅拌电机转速：100～300rmp，得到石墨浆料C，石墨浆料C中石墨固含量为50％；
(4)取已羟基化的纳米硅粉料B，溶于无水乙醇溶剂中，搅拌分散30min，搅拌电机转速：200～400rmp，得到纳米硅粉浆料D，纳米硅粉浆料D中纳米硅固含量为50％；
(5)将纳米硅粉浆料D投入到正在搅拌的石墨浆料C中，纳米硅粉浆料D与石墨浆料C的体积比为1∶1，待浆料D全部加入浆料C中后，继续搅拌分散0.5～2h，得混合浆料；
(6)将上述制备的混合浆料在80℃下进行搅拌烘干除去溶剂乙醇，得到粉料E；
(7)将粉料E投入球形化设备中，处理30～40min，得球化硅碳材料；
(8)将球化硅碳材料在分级装置中进行多级分级，所述多级分级装置是3级分级；所述分级时间为3min，分别得到中值粒径D50＝25～35um、收率10～15％的球化料；中值粒径8～15um、收率70～75％的球化料；中值粒径3～7um、收率4～8％的球化料；而颗粒最小的微粉随尾气进入除尘袋中收集；
(9)选取中值粒径为8～15um或3～7um的分级球化料，与低温沥青混合，按照球化料与低温沥青90∶10～95∶5质量配比，进行包覆处理；所述包覆处理为在通有惰性气氛的包覆设备中进行如下升温处理：以3～5℃/min升温至90℃～120℃，再恒温0.5～1h，然后以3～5℃/min升温至400～500℃，再恒温3～5h后，自然降温后出料；
(10)包覆釜中的出料，过60目标准筛，筛下料炭化处理，炭化料筛分，得到球形“硅碳”复合材料。
所述的低温沥青软化点在90～120℃。
所述炭化处理为：以3～5℃/min升温至900℃～1150℃，恒温3～5h。
所述炭化处理的气氛为氮气，氮气的流量0.1～0.8mL/min。
所述炭化处理采用的炭化设备是具有加热到1300℃功能的炭化设备。
所述炭化料筛分采用标准筛为300～350目。
所述包覆设备中的惰性气氛为氮气，通入氮气的流量0.1～0.8mL/min。
本发明同现有技术相比，制备工艺简单；制备的材料在充当锂电池负极材料所用时材料结构稳定；制备的材料与常规的通过一次颗粒简单造粒的二次颗粒材料相比，循环稳定性得到提升，延长了材料的使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述。
实施例1
(1)取中值粒径D50＝20um、碳含量99.0％的磷片石墨1kg，置于具有加热功能的滚筒炉中，通入水蒸气，水蒸气流量0.8ml/min；滚筒炉以5℃/min升温至500℃，恒温1h，恒温结束，自然降温，得到表面已羟基化的磷片石墨料A；
(2)取中值粒径D50＝150nm、纯度99.9％的纳米硅粉1kg，置于具有加热功能的滚筒炉中，通入水蒸气，水蒸气流量0.5ml/min；滚筒炉以5℃/min升温至700℃，恒温1h，恒温结束，自然降温，得到表面已羟基化的纳米硅粉料B；
(3)取0.5kg已羟基化的磷片石墨料A，分散于0.634L无水乙醇中，搅拌分散30min，搅拌电机转速300rmp，得到石墨浆料C；
(4)取0.5kg已羟基化的纳米硅粉料B，分散于0.634L无水乙醇中，搅拌分散30min，搅拌电机转速400rmp，得到纳米硅粉浆料D；
(5)将纳米硅粉浆料D投入到正在搅拌的石墨浆料C中，待纳米硅粉浆料D全部加入石墨浆料C中后，继续搅拌分散2h；
(6)将上述制备的混合浆料在80℃下进行搅拌烘干除去溶剂乙醇，得到粉料E；
(7)将粉料E投入球形化设备中，处理40min，得球化硅碳材料；
(8)将球化硅碳材料在3级分级装置中进行3级分级，分级时间为3min，分别得到30um球化料收率15％；15um球化料收率75％、7um球化料收率7％。
(9)选取15um球化料，与低温沥青混合，按照球化料与低温沥青90∶10质量配比，进行包覆处理；低温沥青软化点位120℃；
包覆设备为立式包覆釜；氮气气氛保护，流量0.1mL/min；；立式包覆釜的升温程序为：以5℃/min升温至120℃，恒温1h，以5℃/min升温至500℃，恒温5h，恒温结束，自然降温后出料；
(10)将包覆釜中的出料，过60目标准筛，筛下料炭化处理，炭化料筛分，得到球形“硅碳”复合材料；炭化程序为：以5℃/min升温至1150℃，恒温5h，恒温结束，自然降温至室温，氮气气氛保护，流量0.1mL/min；炭化出料筛分，所用的标准筛为350目标准筛。筛下料中值粒径D50＝17um，筛下料供电性能测试用。
电化学性能测试：
采用扣式电池CR2430型，以锂片为对电极，采用隔膜为Celgard 2300 PP/PE/PP三层微孔复合膜，以1M LiPF6/EC+DMC+EMC溶液为支持电解质。将上述过350目标准筛后的样品∶SP∶CMC∶SBR按91∶2∶4.5∶2.5比例配合成浆料，然后涂覆到导电铜箔上，120℃干燥2h，使用滚压机，在10MPa的压力下辊压成型。将正、负电极片、隔膜及电解液组装后，冲压封口。所有装配过程均在充满氩气的干燥手套箱中进行。
上述构造的锂离子电池允许在室温下保温过夜。利用Arbin冲/放电测试仪测试电池充放电性能。测试充放电电流密度为0.6mA/cm2，截止充放电电压为0.005-2.000V。测定所述锂离子蓄电池的初始容量和库仑效率，通过重复上述操作，在所述锂离子二次电池上进行充/放电测试50周循环，首周初始脱锂容量及50周循环容量保持率结果见表1。
实施例2
步骤(1)-(8)同实施例1；
步骤(9)：选取7um球化料，与低温沥青混合包覆处理，方法同实施例1；后续包覆、炭化、筛分等步骤皆同实施例1；炭化后筛下料中值粒径D50＝8.5um，筛下料供电性能测试用。
电化学性能测试同实施例1。
实施例3
(1)取中值粒径D50＝5um、碳含量99.0％的磷片石墨2kg，置于具有加热功能的滚筒炉中，通入水蒸气，水蒸气流量0.5ml/min；滚筒炉以3℃/min升温至200℃，恒温0.5h，恒温结束，自然降温，得到表面已羟基化的磷片石墨料A；
(2)取中值粒径D50＝30nm、纯度99.9％的纳米级硅粉1kg，置于具有加热功能的滚筒炉中，通入水蒸气，水蒸气流量0.2ml/min；滚筒炉以3℃/min升温至500℃，恒温0.5h，恒温结束，自然降温，得到表面已羟基化的纳米硅粉料B；
(3)取0.5kg已羟基化的磷片石墨料A，分散于0.634L无水乙醇中，搅拌分散30min，搅拌电机转速100rmp，得到石墨浆料C；
(4)取0.5kg已羟基化的纳米硅粉料B，分散于0.634L无水乙醇中，搅拌分散30min，搅拌电机转速200rmp，得到纳米硅粉浆料D；
(5)将纳米硅粉浆料D投入到正在搅拌的石墨浆料C中，待浆料D全部加入浆料C中后，继续搅拌分散1h，得混合浆料；
(6)将混合浆料在80℃下进行搅拌烘干，除去溶剂乙醇，得到粉料E；
(7)将粉料E投入球形化设备中处理40min，得球化硅碳材料；
(8)将球化硅碳材料在分级装置中进行3分级，分级时间为3min，分别得到中值粒径D50＝25um球化料，收率14％；中值粒径D50＝12um球化料，收率73％、中值粒径D50＝6um球化料收率6％。
(9)选取12um球化料，与低温沥青混合包覆处理，方法同实施例1；后续包覆、炭化、筛分等步骤皆同实施例1；炭化后筛下料中值粒径D50＝13.4um，筛下料供电性能测试用。
电化学性能测试同实施例1。
对比例1
(1)取中值粒径D50＝20um、碳含量99.0％的磷片石墨0.5kg，放入0.634L乙醇溶剂中，搅拌分散30min，搅拌电机转速300rmp，得到石墨浆料E；
(2)取中值粒径D50＝150nm、纯度99.9％的纳米硅粉0.5kg，放入0.634L乙醇中，搅拌分散30min，搅拌电机转速400rmp，得到纳米硅粉浆料F；
(3)将纳米硅粉浆料F投入到正在搅拌的石墨浆料E中，待纳米硅粉浆料F全部加入石墨浆料E中后，继续搅拌分散2h；
(4)将上述混合浆料通过喷雾造粒方式进行干燥造粒，所述喷雾干燥设备是闭式造粒设备；
(5)上述喷雾造粒样品，经350目标准筛过筛，与低温沥青混合，将喷雾造粒料与低温沥青90∶10质量配比，进行包覆处理。
所述后续包覆、炭化、筛分等步骤同实施例1；炭化后筛下料中值粒径D50＝25.6um，筛下料供电性能测试用。
电化学性能测试同实施例1。
表1 实施例1～3及对比实施例1电池测试结果表

Claims (7)

1.一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，采用如下制备步骤：
(1)取中值粒径D50＝5～25um、碳含量99.0％的磷片石墨，置于具有加热功能的滚筒炉中，通入水蒸气，水蒸气流量0.5～0.8ml/min；滚筒炉以3～5℃/min升温至200℃～500℃，恒温0.5～1h，恒温结束，自然降温，得到表面已羟基化的磷片石墨料A；
(2)取中值粒径D50＝30～150nm、纯度99.9％的纳米硅粉，置于具有加热功能的滚筒炉中，通入水蒸气，水蒸气流量0.2～0.5ml/min；滚筒炉以3～5℃/min升温至500℃～700℃，恒温0.5～1h，恒温结束，自然降温，得到表面已羟基化的纳米硅粉料B；
(3)取已羟基化的磷片石墨料A，溶于无水乙醇溶剂中，搅拌分散30min，搅拌电机转速：100～300rmp，得到石墨浆料C，石墨浆料C中石墨固含量为50％；
(4)取已羟基化的纳米硅粉料B，溶于无水乙醇溶剂中，搅拌分散30min，搅拌电机转速：200～400rmp，得到纳米硅粉浆料D，纳米硅粉浆料D中纳米硅固含量为50％；
(5)将纳米硅粉浆料D投入到正在搅拌的石墨浆料C中，纳米硅粉浆料D与石墨浆料C的体积比为1∶1，待浆料D全部加入浆料C中后，继续搅拌分散0.5～2h，得混合浆料；
(6)将上述制备的混合浆料在80℃下进行搅拌烘干除去溶剂乙醇，得到粉料E；
(7)将粉料E投入球形化设备中，处理30～40min，得球化硅碳材料；
(8)将球化硅碳材料在分级装置中进行多级分级，所述多级分级装置是3级分级；所述分级时间为3min，分别得到中值粒径D50＝25～35um、收率10～15％的球化料；中值粒径8～15um、收率70～75％的球化料；中值粒径3～7um、收率4～8％的球化料；而颗粒最小的微粉随尾气进入除尘袋中收集；
(9)选取中值粒径为8～15um或3～7um的分级球化料，与低温沥青混合，按照球化料与低温沥青90∶10～95∶5质量配比，进行包覆处理；所述包覆处理为在通有惰性气氛的包覆设备中进行如下升温处理：以3～5℃/min升温至90℃～120℃，再恒温0.5～1h，然后以3～5℃/min升温至400～500℃，再恒温3～5h后，自然降温后出料；
(10)包覆釜中的出料，过60目标准筛，筛下料炭化处理，炭化料筛分，得到球形“硅碳”复合材料。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述的低温沥青软化点在90～120℃。
3.如权利要求1所述的一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述炭化处理为：以3～5℃/min升温至900℃～1150℃，恒温3～5h。
4.如权利要求1所述的一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述炭化处理的气氛为氮气，氮气的流量0.1～0.8mL/min。
5.如权利要求1所述的一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述炭化处理采用的炭化设备是具有加热到1300℃功能的炭化设备。
6.如权利要求1所述的一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述炭化料筛分采用标准筛为300～350目。
7.如权利要求1所述的一种锂离子电池用球形硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述包覆设备中的惰性气氛为氮气，通入氮气的流量0.1～0.8mL/min。
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