本發(fā)明涉及鋰離子電池，具體涉及一種硅碳負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、由于化石能源的過度使用引發(fā)空氣污染和全球變暖，各國為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)而對清潔能源的需求正在不斷增長。與傳統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，先進(jìn)的鋰離子電池(libs)成為儲(chǔ)能最重要的替代技術(shù)之一。

2、鋰離子電池包括負(fù)極材料，然而，傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料，由于其理論容量低(372mah·g-1)，不能滿足高能量密度和高功率密度的要求。硅負(fù)極材料雖然憑借其高理論嵌鋰容量(在室溫下li3.75si為3579mah·g-1)、低工作電壓(<0.4v?vs.li/li+)、豐富的資源和環(huán)境環(huán)境友好性，已經(jīng)逐漸進(jìn)入應(yīng)用市場。但是硅材料本身固有的低電導(dǎo)率(～10-3s?cm-1)阻礙了硅負(fù)極材料的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、(一)解決的技術(shù)問題

2、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種硅碳負(fù)極材料及其制備方法，解決了現(xiàn)有硅負(fù)極材料電導(dǎo)率較低的技術(shù)問題。

3、(二)技術(shù)方案

4、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

5、一方面，本發(fā)明提供一種硅碳負(fù)極材料制備方法，包括如下步驟：

6、s1、將瀝青、金屬粉末和造孔劑混合攪拌加熱，冷卻破碎后研磨，利用第一有機(jī)溶劑清洗干燥，形成第一材料；

7、所述瀝青與金屬粉末的質(zhì)量比為10:1～2:1；所述瀝青與造孔劑的質(zhì)量比為1:2～1:10；所述攪拌時(shí)間為1～10h；所述加熱溫度為300～500℃，加熱時(shí)間為1～6h；

8、s2、將所述第一材料在硅源氣體和惰性氣體的混合氣氛中進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，再在碳源氣體和惰性氣體的混合氣氛中進(jìn)行碳包覆處理，冷卻后研磨均勻，即得硅碳負(fù)極材料；

9、所述化學(xué)氣相沉積的溫度為500～700℃，時(shí)間為1～6h，所述碳包覆處理溫度為600～700℃，時(shí)間為1～4h。

10、本發(fā)明硅碳負(fù)極材料的制備方法，選擇瀝青、金屬粉末和造孔劑混合攪拌加熱，冷卻破碎后研磨制備得到第一材料，該過程使金屬粉末在第一材料內(nèi)形成第一導(dǎo)電金屬層，然后將第一材料在硅源氣體和惰性氣體的混合氣氛中進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，再在碳源氣體和惰性氣體的混合氣氛中進(jìn)行碳包覆處理，冷卻后研磨均勻，得到硅碳負(fù)極材料，碳源氣體填補(bǔ)硅源氣體未填充好的孔洞，形成完整的第二導(dǎo)電層，使制備的硅碳負(fù)極材料包括內(nèi)外雙層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而保證了硅碳負(fù)極材料的導(dǎo)電性。

11、優(yōu)選地，所述s1中還包括對瀝青進(jìn)行氮摻雜處理，所述氮摻雜處理包括將瀝青和含氮有機(jī)聚合物溶解于第二有機(jī)溶劑中攪拌，再冷凍干燥后研磨。

12、優(yōu)選地，所述含氮有機(jī)聚合物選自聚酰亞胺、聚磺酰胺、三聚氰胺中的至少一種；

13、和/或，所述瀝青與含氮有機(jī)聚合物的質(zhì)量比為1:1～1:10；

14、和/或，所述瀝青和含氮有機(jī)聚合物的質(zhì)量之和與第二有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為1:5～1:10；

15、和/或，所述第二有機(jī)溶劑選自n-甲基吡咯烷酮、正己烷、二甲苯、二硫化碳和四氯化碳中的至少一種；

16、和/或，所述冷凍干燥溫度為-30℃～-50℃；

17、和/或，所述冷凍干燥時(shí)間為12h～24h。

18、對瀝青按照上述工藝進(jìn)行氮摻雜及凍干處理后，得到的第一材料具有高比表面積、均勻的孔容孔徑和大量的反應(yīng)活性位點(diǎn)，反應(yīng)位點(diǎn)可以讓硅源氣體更好地附著成核生長，提升材料的容量，同時(shí)金屬粉末能夠?yàn)楣柙刺峁└街稽c(diǎn)，便于硅的均勻沉積，從而保證硅碳負(fù)極材料的循環(huán)和倍率性能。

19、優(yōu)選地，所述制備方法還包括對硅碳負(fù)極材料進(jìn)行噴霧熱解處理，所述噴霧熱解處理包括將有機(jī)碳源、還原性有機(jī)溶劑和所述硅碳負(fù)極材料混合攪拌、超聲處理，在高溫氣氛中進(jìn)行噴霧熱解；

20、噴霧熱解溫度為300～500℃，噴灑流速為1～10ml/min。

21、優(yōu)選地，所述有機(jī)碳源選自檸檬酸、乙酸、草酸、甲酸、丙酸和硬脂酸中的至少一種；

22、和/或，所述還原性有機(jī)溶劑選自乙醇、乙醚、二氯甲烷、丙酮和二甲苯中的至少一種；

23、和/或，所述有機(jī)碳源與還原性有機(jī)溶劑的質(zhì)量比為1:5～1:20；

24、和/或，所述有機(jī)碳源和還原性有機(jī)溶劑的總質(zhì)量與硅碳負(fù)極材料的質(zhì)量比為1:1～10:1；

25、和/或，所述攪拌反應(yīng)時(shí)間為1～4h，超聲處理時(shí)間為10～30min。

26、經(jīng)過噴霧熱解處理，有機(jī)碳源再次填補(bǔ)硅源氣體未填充好的孔洞，形成完整的包覆層，不僅限制了硅碳負(fù)極材料的體積膨脹，保證硅碳負(fù)極材料的循環(huán)和倍率性能，還能提升硅碳負(fù)極材料的導(dǎo)電性能。上述噴霧熱解處理避免高溫碳包覆時(shí)非晶硅轉(zhuǎn)化為晶體硅，還原性有機(jī)溶劑在熱解時(shí)防止納米硅顆粒被氧化，進(jìn)而保證硅碳負(fù)極材料的循環(huán)和倍率性能。

27、優(yōu)選地，所述步驟s1中瀝青選自煤焦油瀝青、石油瀝青和天然瀝青，所述瀝青的d50為3～5mm；

28、和/或，所述步驟s1中金屬粉末選自錫、鉍、銦和鋰中至少一種；

29、和/或，所述步驟s1中造孔劑選自磷酸、氯化鋅、氫氧化鉀、碳酸鉀中的至少一種。

30、優(yōu)選地，所述步驟s2中硅源氣體選自甲硅烷或其同系物中的至少一種；

31、和/或，惰性氣體選自氦氣、氬氣、氮?dú)庵械闹辽僖环N；

32、和/或，碳源氣體選自乙炔、甲烷或其同系物中的至少一種。

33、優(yōu)選地，所述惰性氣體與硅源氣體的體積比為4:1～1:1。

34、優(yōu)選地，所述惰性氣體與碳源氣體的體積比為4:1～1:1。

35、另一方面，本發(fā)明提供一種由第一方面所述的制備方法制備得到的硅碳負(fù)極材料，所述硅碳負(fù)極材料的電阻率為3.9ω·cm～5.1ω·cm，首次庫倫效率91.9％～93.1％。

技術(shù)特征：

1.一種硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述s1中還包括對瀝青進(jìn)行氮摻雜處理，所述氮摻雜處理包括將瀝青和含氮有機(jī)聚合物溶解于第二有機(jī)溶劑中攪拌，再冷凍干燥后研磨。

3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述含氮有機(jī)聚合物選自聚酰亞胺、聚磺酰胺、三聚氰胺中的至少一種；

4.如權(quán)利要求1或2所述的制備方法，其特征在于，所述制備方法還包括對硅碳負(fù)極材料進(jìn)行噴霧熱解處理，所述噴霧熱解處理包括將有機(jī)碳源、還原性有機(jī)溶劑和所述硅碳負(fù)極材料混合攪拌、超聲處理，在高溫氣氛中進(jìn)行噴霧熱解；

5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述有機(jī)碳源選自檸檬酸、乙酸、草酸、甲酸、丙酸和硬脂酸中的至少一種；

6.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟s1中瀝青選自煤焦油瀝青、石油瀝青和天然瀝青，所述瀝青的d50為3～5mm；

7.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟s2中硅源氣體選自甲硅烷或其同系物中的至少一種；

8.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述惰性氣體與硅源氣體的體積比為4:1～1:1。

9.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述惰性氣體與碳源氣體的體積比為4:1～1:1。

10.一種由權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的制備方法制備得到的硅碳負(fù)極材料，其特征在于，所述硅碳負(fù)極材料的電阻率為3.9ω·cm～5.1ω·cm，首次庫倫效率為91.9％～93.1％。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供硅碳負(fù)極材料及其制備方法，涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域。硅碳負(fù)極材料的制備方法，包括如下步驟：S1、將瀝青、金屬粉末和造孔劑混合攪拌加熱，冷卻破碎后研磨，利用第一有機(jī)溶劑清洗干燥，形成第一材料；S2、將所述第一材料在硅源氣體和惰性氣體的混合氣氛中進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，再在碳源氣體和惰性氣體的混合氣氛中進(jìn)行碳包覆處理，冷卻后研磨均勻，即得硅碳負(fù)極材料；該方法制備的硅碳負(fù)極材料的導(dǎo)電性優(yōu)異。

技術(shù)研發(fā)人員：姜福陽,萬文文,王輝,張辰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：合肥國軒高科動(dòng)力能源有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9