CN109802126A - 一种负极材料、其制备方法及应用 - Google Patents

一种负极材料、其制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种负极材料、其制备方法及应用。所述负极材料包括微米级颗粒物，所述微米级颗粒物由多个基本单元粘结堆积形成，所述基本单元具有核壳结构，其中核包含硅和氧化硅中的至少一种与碳的组合，壳层包含石墨烯，或者石墨烯和碳的组合。所述制备方法包括：提供主要由硅油与水形成的乳化液；使所述乳化液与石墨烯的前驱体反应，之后对所获反应产物进行干燥、烧结处理，制得负极材料。本发明的负极材料制备工艺简单，易于操作，成本低，适合于规模化生产；同时其放电比容量高，循环性能好，适合用于高容量锂离子电池负极，应用前景广泛。

Description

一种负极材料、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种负极材料，特别涉及一种石墨烯或者石墨烯和碳的组合包覆硅和氧化硅中的至少一种与碳的复合结构的负极材料及其制备方法，属于负极材料技术领域。
背景技术
目前的负极材料主要以天然石墨和人造石墨为主，石墨的理论极限克容量为372mAh/g，作为锂离子电池负极材料，限制了电池的容量，不能够满足人们对电池越来越高的容量要求，急需一种更高容量的材料来替代。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种负极材料及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
本发明的另一目的还在于提供所述负极材料的应用。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种负极材料，其包括微米级颗粒物，所述微米级颗粒物由多个基本单元粘结堆积形成，所述基本单元具有核壳结构，其中核包含硅和氧化硅中的至少一种与碳的组合，壳层包含石墨烯，或者石墨烯和碳的组合。
在一些实施例中，所述负极材料中硅元素与碳元素的摩尔比为1：10～5：1。
在一些实施例中，所述负极材料中硅元素与氧元素的摩尔比为1：2～10：1。
本发明实施例还提供了一种负极材料的制备方法，其包括：
提供主要由硅油与水形成的乳化液；
使所述乳化液与石墨烯的前驱体反应，之后对所获反应产物进行干燥、烧结处理，制得负极材料。
在一些实施例中，所述硅油的主链结构主要由硅氧烷构成，且所述硅油的主链或端基上含有氨基。
本发明实施例还提供了由前述任一种方法制备的负极材料。
本发明实施例还提供了前述负极材料于制备化学储能装置中的应用。
与现有技术相比，本发明提供的负极材料制备工艺简单，易于操作，成本低，适合于规模化生产；同时该负极材料的放电比容量高，循环性能好，适合用于高容量锂离子电池负极，应用前景广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施案例中一种负极材料的结构原理示意图。
图2是由本发明一典型实施案例中一种负极材料用于制备电池的电化学性能测试结果图。
图3是本发明一典型实施案例中一种负极材料的EDS元素分布图。
图4是本发明另一典型实施案例中一种负极材料的EDS元素分布图。
图5是本发明另一典型实施案例中一种负极材料的EDS元素分布图。
图6是本发明一典型实施案例中一种负极材料的SEM图。
图7是本发明另一典型实施案例中一种负极材料的SEM图。
图8是本发明另一典型实施案例中一种负极材料的SEM图。
图9是本发明另一典型实施案例中一种负极材料的SEM图。
具体实施方式
如前所述，鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
请参阅图1所示，本发明实施例的一个方面提供的一种负极材料，其包括微米级颗粒物，所述微米级颗粒物由多个基本单元粘结堆积形成，所述基本单元具有核壳结构，其中核包含硅和氧化硅中的至少一种与碳的组合，壳层包含石墨烯，或者石墨烯和碳的组合。
在一些优选实施例中，所述负极材料中硅元素与碳元素的摩尔比为1：10～5：1。
在一些优选实施例中，所述负极材料中硅元素与氧元素的摩尔比为1：2～10：1。
进一步地，所述基本单元的平均粒径为1nm～2μm。
进一步地，所述微米级颗粒物的平均粒径为3μm～30μm。
进一步地，所述的核包括二氧化硅与碳的复合物、硅与碳的复合物中的任意一种或两种的组合，但不仅限于此。
进一步地，所述的壳层由石墨烯或者石墨烯和碳组成。
进一步地，所述负极材料的振实密度大于0.7g/cm3，比表面积小于30m2/g，克比容量大于500mAh/g。
本发明实施例的另一个方面提供的一种负极材料的制备方法，其包括：
提供主要由硅油与水形成的乳化液；
使所述乳化液与石墨烯的前驱体反应，之后对所获反应产物进行干燥、烧结处理，制得负极材料。
在一些优选实施例中，所述硅油的主链结构主要由硅氧烷构成，且所述硅油的主链或端基上含有氨基。
在一些优选实施例中，所述硅油中硅元素与氧元素的摩尔比为1：4～2：1。
进一步地，所述硅油的质均分子量为100～20000。
进一步地，所述硅油包括甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氢硅油、甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羟基硅油和乙基含氢硅油等中的任意一种或两种以上的组合，但不仅限于此。
在一些优选实施例中，所述硅油中氮元素的含量为0.01～10wt％。
在一些优选实施例中，所述硅油与水的质量比为1：30～2：1。
在一些优选实施例中，所述乳化液还包括乳化剂，所述硅油与乳化剂的质量比为3：1～30：1。
进一步地，所述乳化剂包括阳离子乳化剂，例如，所述阳离子乳化剂可以包括十二烷基二甲基卞基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵和十八烷基三甲基氯化铵等中的任意一种或两种以上的组合，但不仅限于此。
在一些更为具体的实施案例之中，所述负极材料的制备方法包括：
将硅油与纯净水进行乳化得到乳化液；将石墨烯的前驱体-磺化石墨烯，加入前述乳化液中，使得二者快速反应，得到的反应产物即为目标材料的前驱体；除去前驱体中的水分后，在选定气氛中烧结，获得前述的负极材料。
在一些优选实施例中，所述石墨烯的前驱体采用磺化石墨烯，所述磺化石墨烯的径向尺寸为0.05μm～100μm，厚度为0.5nm～20nm，并且所述磺化石墨烯内磺酸基所含碳元素与硫元素的摩尔比为5：1～30：1。
进一步地，所述硅油与磺化石墨烯的质量比为2：1～1000：1。
进一步地，所述乳化液所含乳化液滴的尺寸为50～10000nm，优选为500～8000nm。
进一步地，所述乳化液中硅油的含量(质量浓度)为3～50wt％。
在一些优选实施例中，所述制备方法包括：采用加热蒸干方式去除所述反应产物中的水分，之后在惰性气氛或还原性气氛中进行高温烧结。
进一步地，所述加热蒸干方式采用的温度为80℃～250℃，时间为4h～24h。
进一步地，所述高温烧结采用的温度为450℃～1650℃，时间为6h～96h。
在一些优选实施例中，所述制备方法还包括：以包覆材料对所获反应产物进行包覆，之后进行烧结处理，制得负极材料。
进一步地，所述包覆材料包括石油沥青、煤沥青、酚醛树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
本发明实施例的另一个方面还提供了由前述任一项所述方法制备的负极材料。
本发明实施例的另一个方面还提供了前述的负极材料于制备化学储能装置中的应用。
进一步地，所述化学储能装置包括锂离子电池，但不限于此。
相应的，本发明实施例的另一个方面还提供了一种化学储能装置的负极，其包含前述的负极材料。
综上，藉由上述技术方案，本发明提供的负极材料制备工艺简单，易于操作，成本低，适合于规模化生产；同时该负极材料放电比容量高，循环性能好，适合用于高容量锂离子电池负极，应用前景广泛。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合若干较佳实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的解释说明，但其中的实验条件和设定参数不应视为对本发明基本技术方案的局限。并且本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
将甲基硅油(硅元素与氧元素的摩尔比为1：4，氨基所含氮元素的含量为0.01wt％)、十二烷基二甲基卞基氯化铵与纯净水进行乳化得到乳化液，其中，所述甲基硅油与纯净水的质量比为1：30，甲基硅油与十二烷基二甲基卞基氯化铵的质量比为3：1；
将石墨烯的前驱体-磺化石墨烯(径向尺寸为0.05μm，厚度为0.5nm，磺酸基所含碳元素与硫元素的摩尔比为5：1)，加入前述乳化液中，所述甲基硅油与磺化石墨烯的质量比为2：1，使得二者快速反应，得到的反应产物即为目标材料的前驱体；
在80℃蒸干24h，除去前驱体中的水分后，在惰性气氛中于450℃烧结96h，获得可用于电池负极的材料。
实施例2：
将甲基氯苯基硅油(硅元素与氧元素的摩尔比为2：1，氨基所含氮元素的含量为10wt％)、十六烷基三甲基氯化铵与纯净水进行乳化得到乳化液，其中，所述甲基氯苯基硅油与纯净水的质量比为2：1，甲基氯苯基硅油与十六烷基三甲基氯化铵的质量比为30：1；
将石墨烯的前驱体-磺化石墨烯(径向尺寸为100μm，厚度为20nm，磺酸基所含碳元素与硫元素的摩尔比为30：1)，加入前述乳化液中，所述甲基氯苯基硅油与磺化石墨烯的质量比为1000：1，使得二者快速反应，得到的反应产物即为目标材料的前驱体；
在250℃蒸干4h，除去前驱体中的水分后，在惰性气氛中于1650℃烧结6h，获得可用于电池负极的材料。
实施例3：
将甲基羟基硅油(硅元素与氧元素的摩尔比为1：1，氨基所含氮元素的含量为5wt％)、十八烷基三甲基氯化铵与纯净水进行乳化得到乳化液，其中，所述甲基羟基硅油与纯净水的质量比为1：1，甲基羟基硅油与十八烷基三甲基氯化铵的质量比为10：1；
将石墨烯的前驱体-磺化石墨烯(径向尺寸为10μm，厚度为5nm，磺酸基所含碳元素与硫元素的摩尔比为20：1)，加入前述乳化液中，所述甲基羟基硅油与磺化石墨烯的质量比为100：1，使得二者快速反应，得到的反应产物即为目标材料的前驱体；
在150℃蒸干15h，除去前驱体中的水分后，在惰性气氛中于1000℃烧结30h，获得可用于电池负极的材料。
以实施例1所获目标产物可用于电池负极的材料为例，对其进行性能测试：其结构原理示意图可参阅图1，其包括微米级颗粒物，所述微米级颗粒物由多个基本单元粘结堆积形成，所述基本单元具有核壳结构，其中基本单元的平均粒径R1为1nm～2μm，微米级颗粒物的平均粒径R2为3μm～30μm，所述负极材料的振实大于0.7g/cm3，比表面积小于30m2/g，克比容量大于500mAh/g。
微观结构图可参阅图9，EDS元素分布图可参阅图3及表1，以本实施例所获负极材料制备的负极组成电池的电化学性能测试结果可参见图2。
表1
元素 Wt％ At％
CK 33.83 47.93
OK 26.18 27.85
SiK 39.99 24.23
本发明另一些优选实施例所获负极材料的EDS元素分布图可参阅图4和图5，本发明另一些优选实施例所获负极材料的SEM图可参阅图6-图8所示。
综上所述，本发明的负极材料的放电比容量高，循环性能好，适合用于高容量锂离子电池负极，应用前景广泛。
又及，实施例2-3产物的性能测试数据与实施例1产物基本近似。
此外，本案发明人还参照实施例1-实施例3的方式，以本说明书中列出的其它原料和条件等进行了试验，并同样制得了放电比容量高，循环性能好，适合用于高容量锂离子电池负极的材料。
应当理解，以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (23)

1.一种负极材料，其特征在于包括微米级颗粒物，所述微米级颗粒物由多个基本单元粘结堆积形成，所述基本单元具有核壳结构，其中核包含硅和氧化硅中的至少一种与碳的组合，壳层包含石墨烯，或者石墨烯和碳的组合。
2.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于：所述负极材料中硅元素与碳元素的摩尔比为1：10～5：1；优选的，所述负极材料中硅元素与氧元素的摩尔比为1：2～10：1。
3.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于：所述基本单元的平均粒径为1nm～2μm；和/或，所述微米级颗粒物的平均粒径为3μm～30μm。
4.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于：所述的核包括二氧化硅与碳的复合物、硅与碳的复合物中的任意一种或两种的组合。
5.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于：所述的壳层由石墨烯或者石墨烯和碳组成。
6.根据权利要求1所述的负极材料，其特征在于：所述负极材料的振实密度大于0.7g/cm3，比表面积小于30m2/g，克比容量大于500mAh/g。
7.一种负极材料的制备方法，其特征在于包括：
提供主要由硅油与水形成的乳化液；
使所述乳化液与石墨烯的前驱体反应，之后对所获反应产物进行干燥、烧结处理，制得负极材料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述硅油的主链结构主要由硅氧烷构成，且所述硅油的主链或端基上含有氨基。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述硅油中硅元素与氧元素的摩尔比为1：4～2：1。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述硅油的质均分子量为100～20000。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述硅油包括甲基硅油、乙基硅油、苯基硅油、甲基含氢硅油、甲基苯基硅油、甲基氯苯基硅油、甲基三氟丙基硅油、甲基乙烯基硅油、甲基羟基硅油和乙基含氢硅油中的任意一种或两种以上的组合。
12.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述硅油中氮元素的含量为0.01～10wt％。
13.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述乳化液包括质量比为1：30～2：1的硅油与水。
14.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述乳化液还包括乳化剂，所述硅油与乳化剂的质量比为3：1～30：1。
15.根据权利要求14所述的制备方法，其特征在于：所述乳化剂包括阳离子乳化剂；优选的，所述阳离子乳化剂包括十二烷基二甲基卞基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵和十八烷基三甲基氯化铵中的任意一种或两种以上的组合。
16.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述石墨烯的前驱体采用磺化石墨烯，所述磺化石墨烯的径向尺寸为0.05μm～100μm，厚度为0.5nm～20nm，并且所述磺化石墨烯内磺酸基所含碳元素与硫元素的摩尔比为5：1～30：1。
17.根据权利要求16所述的制备方法，其特征在于：所述硅油与磺化石墨烯的质量比为2：1～1000：1。
18.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述乳化液所含乳化液滴的尺寸为50～10000nm，优选为500～8000nm；优选的，所述乳化液中硅油的含量为3～50wt％。
19.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于包括：采用加热蒸干方式去除所述反应产物中的水分，之后在惰性气氛或还原性气氛中进行高温烧结。
20.根据权利要求19所述的制备方法，其特征在于：所述加热蒸干方式采用的温度为80℃～250℃，时间为4h～24h；优选的，所述高温烧结采用的温度为450℃～1650℃，时间为6h～96h。
21.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于还包括：以包覆材料对所获反应产物进行包覆，之后进行烧结处理，制得负极材料；优选的，所述包覆材料包括石油沥青、煤沥青、酚醛树脂、聚氯乙烯、聚苯乙烯中的任意一种或两种以上的组合。
22.由权利要求7-21中任一项所述方法制备的负极材料。
23.权利要求1-6、22中任一项所述的负极材料于制备化学储能装置中的应用；优选的，所述化学储能装置包括锂离子电池。
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