CN109585820A - 硅碳复合材料、制备方法、应用及锂离子电池负极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池负极相关领域，具体涉及硅碳复合材料、制备方法、应用及锂离子电池负极。所述硅碳复合材料，包括表面氧化为SiOx(x＝1或2)的硅粉、石墨/石墨烯复合材料、有机碳源、表面活性剂；所述表面氧化为SiOx的硅粉的粒径的数量级是102nm‑103nm；所述石墨/石墨烯复合材料包括60％‑80％重量百分比的石墨和20％‑40％重量百分比的石墨烯；所述有机碳源是沥青或葡萄糖。本申请硅碳复合材料、制备方法、应用及锂离子电池负极，其所得复合材料的容量提升明显，可较好地应用于制备锂离子电池负极。

Description

硅碳复合材料、制备方法、应用及锂离子电池负极
技术领域
本发明涉及电池负极相关领域，具体涉及硅碳复合材料、制备方法、应用及锂离子电池负极。
背景技术
目前锂电池可分为锂金属电池和锂离子电池，其中锂离子电池的应用范围较广，例如计算器、笔记本、移动通信设备等电子装置。
锂离子电池通常是采用锂离子作为电池正极，采用碳材料作为电池负极，其中的碳材料可以是石墨、碳纤维等材料。其中的石墨由于原材料易得，且成本较低，通常是作为锂离子电池的负极材料使用，但由于石墨本身材料限制，其相对较低的容量已经渐渐不能满足当今社会对高容量电池的需求。因此，目前对石墨进行改性的处理方法通常有表面氧化、表面包覆等，但对其容量的提升效果也有一定的限制。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种硅碳复合材料、制备方法、应用及锂离子电池负极，其所得复合材料的容量提升明显，可较好地应用于制备锂离子电池负极。
本发明针对现有技术的不足，提供了第一方面的技术方案，即硅碳复合材料，包括表面氧化为SiOx的硅粉、石墨/石墨烯复合材料、有机碳源、表面活性剂；x＝1或2；
所述表面氧化为SiOx的硅粉的粒径的数量级是102nm-103nm；
所述石墨/石墨烯复合材料包括60％-80％重量百分比的石墨和20％-40％重量百分比的石墨烯；
所述有机碳源是沥青或葡萄糖。
可选的，所述石墨的粒径大小是5μm-200μm。
本申请还提供第二方面的技术方案，即硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将金属硅粉与溶剂混合后，加入氧化锆球进行球磨，过滤得表面氧化为SiOx的硅粉；x＝1或2；
2)将石墨与助磨剂、分散剂按一定比例混合后经球磨，同时超声搅拌一段时间，获得混合浆料；石墨与助磨剂的比例是(1-4)：1，石墨与助磨剂在分散剂中形成的浓度是2mg/mL-5mg/mL；将所得混合浆料置于15℃-20℃的温度环境下自然冷却，后进行冷冻干燥，得到石墨/石墨烯复合材料；
3)将步骤1)所得表面氧化为SiOx的硅粉和步骤2)所得石墨/石墨烯复合材料混合，加入有机碳源、表面活性剂后，超声搅拌，经干燥裂解后得硅碳复合材料。
可选的，步骤1)中所述金属硅粉的纯度是99％以上，所述溶剂是有机溶剂。
可选的，步骤1)中所得表面氧化为SiOx的硅粉，其表面至少90％以上氧化为SiOx。
可选的，步骤2)中所述助磨剂是多芳类有机物。
可选的，步骤2)中所述助磨剂是N-甲基-吡咯烷酮NMP或N，N-二甲基甲酰胺DMF。
可选的，步骤2)中所述分散剂是水。
可选的，步骤2)中所述一段时间是1h-8h。
可选的，步骤2)中自然冷却的时间是24h-48h，冷冻干燥的时间是20h-24h。
可选的，步骤3)中表面氧化为SiOx的硅粉、石墨/石墨烯复合材料、有机碳源、表面活性剂的混合比例按重量份算是10：(5-10):(2-3):(1-2)。
本申请还提供第三方面的技术方案，即硅碳复合材料，其按照前述任一所述的制备方法制备得到。
可选的，包括表面氧化为SiOx的硅粉、石墨/石墨烯复合材料、有机碳源、表面活性剂；x＝1或2；
所述表面氧化为SiOx的硅粉的粒径的数量级是102nm-103nm；
所述石墨/石墨烯复合材料包括60％-80％重量百分比的石墨和20％-40％重量百分比的石墨烯；
所述有机碳源是沥青或葡萄糖。
可选的，所述石墨的粒径大小是5μm-200μm。
本申请还提供第四方面的技术方案，即前述任一所述的硅碳复合材料在制备锂离子电池负极的应用。
本申请还提供第五方面的技术方案，即锂离子电池负极，采用前述任一所述的硅碳复合材料制备而成。
本发明所提供的方案主要通过采用硅碳复合材料、制备方法、应用及锂离子电池负极，其所得复合材料采用表面氧化为SiOx的硅粉与石墨/石墨烯复合材料为主进行复合，改善其电容量，明显高于石墨本身的电容量，可较好地应用于制备锂离子电池负极。
本申请所采用的物料或组分均为常规性组分，可在市面上购买获得。
附图说明
图1是实施例1所得硅碳复合材料的扫描电镜图；
图2是实施例1所得硅碳复合材料(Si/C)的XRD图谱；
图3是实施例1所得硅碳复合材料应用于制备得到的锂离子电池负极的充放电曲线图；
图4是实施例1所得硅碳复合材料(Si/C)与天然石墨(Graphite)分别应用于制备得到的锂离子电池负极的1C充放电循环性能对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互任意组合。
本申请所述的硅碳复合材料和锂离子电池负极，可采用如下各项实施方式中的不同制备方式获得各实施例的硅碳复合材料和锂离子电池负极。
实施方式一
按照以下步骤及表1的各项参数分别制备各实施例的硅碳复合材料。
1)将纯度是x/％的金属硅粉与溶剂C(如乙醇等有机溶剂或水)混合后，加入氧化锆球进行球磨，过滤得表面氧化为SiOx的硅粉，所得表面氧化为SiOx的硅粉的粒径大小是n*102nm-103nm；氧化锆球、金属硅粉与溶剂C的质量比是(1-20):(1-2):1，球磨时间是15min-2h不等；x＝1或2；
2)将石墨与助磨剂、分散剂按一定比例混合后经球磨，同时超声搅拌一段时间T1/h，获得混合浆料；石墨与助磨剂A的比例是D1，石墨与助磨剂A在分散剂B中形成的浓度是D2/mg/mL；将所得混合浆料置于t/℃温度的环境下自然冷却T2/h，后进行冷冻干燥T3/h，得到石墨-石墨烯复合材料；
3)将步骤1)所得表面氧化为SiOx的硅粉和步骤2)所得石墨/石墨烯复合材料混合，加入有机碳源、表面活性剂后(有机碳源可采用沥青或葡萄糖等含碳有机物，表面活性剂可采用十二烷基苯磺酸钠SDBS等)，超声搅拌，经干燥裂解后得硅碳复合材料。
将3)所得的各实施例的硅碳复合材料用于制备锂离子电池负极，可采用本领域常规制备方法，并且将所得硅碳复合材料进行紫外吸收检测，得其成分相对含量值，包括石墨/石墨烯复合材料中石墨的重量百分比L1/％和石墨烯的重量百分比L2/％，以及硅碳复合材料中表面氧化为SiOx的硅粉、石墨/石墨烯复合材料、有机碳源和表面活性剂之间的重量份数比y，其中，石墨的粒径大小是h/μm，同时将相应制备得到的锂离子电池负极同其他常规材料制成锂离子电池，测定其负极1C下首次充放电容量Q1/mAh·g-1、在1C下循环若干次的充放电容量Q2/mAh·g-1，在1C下循环100次的充放电容量Q3/mAh·g-1，所得实测值如表2。
表1
实施例 x/％ n A B T1/h D1 D2/mg/mL t/℃ T2/h T3/h
1 95 9 NMP 水 1 1：1 2 20 24 20
2 97 8 NMP 水 8 4:1 3 18 30 21
3 98 5 NMP 水 5 2:1 4 17 40 22
4 99 2 NMP 水 6 3:1 5 15 48 24
5 95 9 DMF 水 1 1：1 2 20 24 20
6 97 8 DMF 水 8 4:1 3 18 30 21
7 98 5 DMF 水 5 2:1 4 17 40 22
8 99 2 DMF 水 6 3:1 5 15 48 24
表2
实施例 L1/％ L2/％ y h/μm Q1/mAh·g<sup>-1</sup> Q2/mAh·g<sup>-1</sup> Q3/mAh·g<sup>-1</sup>
1 60 40 10:5:3:2 200 552 601 600
2 70 30 10:8:3:2 100 559 609 608
3 80 20 10:10:3:2 50 569 616 614
4 80 20 10:10:2:1 5 572 621 620
5 60 40 10:5:3:2 200 552 601 600
6 70 30 10:8:3:2 100 559 609 608
7 80 20 10:10:3:2 50 569 616 614
8 80 20 10:10:2:1 5 572 621 620
从上述表格以及后续附图中可以得出，表1及表2中的实施例采用本申请所述的制备方法，其所得复合材料在应用于制备锂离子电池负极后，其充放电容量明显高于石墨材质所制备的锂离子电池负极，同时相比于石墨烯较多的材质而言，本申请复合材料在多次循环使用下，充放电容量更稳定。
附图中所示的，图1是实施例1所得硅碳复合材料的扫描电镜图；图2是实施例1所得硅碳复合材料(Si/C)的XRD图谱；图3是实施例1所得硅碳复合材料应用于制备得到的锂离子电池负极的充放电曲线图；图4是实施例1所得硅碳复合材料(Si/C)与天然石墨(Graphite)分别应用于制备得到的锂离子电池负极的1C充放电循环性能对比图。从附图中也可以明确得出，采用本申请制备方法可以较优地得到本申请所述的硅碳复合材料，并且所得复合材料在应用于制备锂离子电池负极后，其充放电容量明显优于石墨材质本身的充放电容量，且其充放电容量的稳定性也明显高于石墨材质本身。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.硅碳复合材料，其特征在于：包括表面氧化为SiOx的硅粉、石墨/石墨烯复合材料、有机碳源、表面活性剂；x＝1或2；
所述表面氧化为SiOx的硅粉的粒径的数量级是102nm-103nm；
所述石墨/石墨烯复合材料包括60％-80％重量百分比的石墨和20％-40％重量百分比的石墨烯；
述石墨的粒径大小是5μm-200μm；
所述有机碳源是沥青或葡萄糖。
2.硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将金属硅粉与溶剂混合后，加入氧化锆球进行球磨，过滤得表面氧化为SiOx的硅粉；x＝1或2；
2)将石墨与助磨剂、分散剂按一定比例混合后经球磨，同时超声搅拌一段时间，获得混合浆料；石墨与助磨剂的比例是(1-4)：1，石墨与助磨剂在分散剂中形成的浓度是2mg/mL-5mg/mL；将所得混合浆料置于15℃-20℃的温度环境下自然冷却，后进行冷冻干燥，得到石墨/石墨烯复合材料；
3)将步骤1)所得表面氧化为SiOx的硅粉和步骤2)所得石墨/石墨烯复合材料混合，加入有机碳源、表面活性剂后，超声搅拌，经干燥裂解后得硅碳复合材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述金属硅粉的纯度是99％以上，所述溶剂是有机溶剂；
步骤2)中所述助磨剂是N-甲基-吡咯烷酮NMP或N，N-二甲基甲酰胺DMF。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中所得表面氧化为SiOx的硅粉，其表面至少90％以上氧化为SiOx。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述一段时间是1h-8h；步骤2)中自然冷却的时间是24h-48h，冷冻干燥的时间是20h-24h。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中表面氧化为SiOx的硅粉、石墨/石墨烯复合材料、有机碳源、表面活性剂的混合比例按重量份算是10：(5-10):(2-3):(1-2)。
7.硅碳复合材料，其特征在于：其按照权2所述的制备方法制备得到。
8.根据权利要求7所述的硅碳复合材料，其特征在于：包括表面氧化为SiOx的硅粉、石墨/石墨烯复合材料、有机碳源、表面活性剂；x＝1或2；
所述表面氧化为SiOx的硅粉的粒径的数量级是102nm-103nm；
所述石墨/石墨烯复合材料包括60％-80％重量百分比的石墨和20％-40％重量百分比的石墨烯；
所述有机碳源是沥青或葡萄糖。
9.权1、权8任一所述的硅碳复合材料在制备锂离子电池负极的应用。
10.锂离子电池负极，其特征在于：采用权1、权8任一所述的硅碳复合材料制备而成。
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