[发明专利]一种锂离子电池用高能硅碳复合负极材料及其制造工艺

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池用负极材料的制造工艺，尤其是锂离子电池用高能硅碳复合负极材料的制造工艺。

背景技术

二次电池是自上个世纪九十年代以来继镍氢电池之后的新一代电池以锂离子电池为代表，因其具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、自放电小、无记忆效应等优点，成为目前高档电子消费品首选的化学电源，并已经渗透到航空航天、军事等尖端技术领域。伴随着其与日俱增的需求，二次电池正成为新世纪科学技术研究与开发的重点和热点。

目前商业化应用中最多的是石墨类负极材料，但其理论比容量只有372mAh/g，限制了锂离子电池容量的进一步提高。目前学术界对一些新型负极材料如Al、Sn、Sb、Si及其合金材料研究非常活跃，因其具有远比石墨高的比容量，如单晶硅比容量可以高达4200mAh/g。但该类负极材料高的体积效应造成了较差的循环稳定性，影响了其商业化进程。因此如何使这些材料可以实用化是当今锂离子电池研究的热点问题。

目前，研究人员采用了各种硅的复合材料，如Si-Ni合金、Ti-Si合金等材料，单独或者与石墨进行复合制作硅碳材料，在循环性能上得到了一定的改善但依然不够理想。除采用硅复合材料以外，还有研究人员采用了硅纳米线(直径15nm、长度几百纳米)制作负极材料，虽然显著提高了其容量及循环性能，但是制作成本高昂，大规模商用困难。

发明内容

本发明的目的是提供锂离子电池用高能硅碳复合负极材料的制造工艺。

为实现上述发明目的，本发明给出了锂离子电池用高能硅碳复合负极材料技术方案，该锂离子电池用高能硅碳复合负极材料由核心材料和壳体材料构成，用壳体材料包覆核心材料，所述核心材料为硅粉或硅粉与石墨粉混合物，所述壳体材料为热解碳。

在上述技术方案中，所述核心材料硅粉的重量百分比为10％～60％，所述壳体材料的热解碳重量百分比为40％～90％。所述硅粉为单晶硅粉或多晶硅粉，纯度为99％～99.999999％，其颗粒为微米级及亚微米级，粒度在0.1-25μm之间。所述热解碳是以纳米级中间相沥青为前驱体材料制得。形成热解碳壳体结构的前驱体材料纳米级中间相沥青，是将中间相沥青浸入纳米研磨机进行湿式研磨2-3小时得到，研磨后中间相沥青的粒度为30nm至50nm。

在上述技术方案中，所述核心材料硅粉的重量百分比为5％～50％，所述核心材料石墨粉的重量百分比为35％～90％，所述壳体材料的热解碳重量百分比为5％～15％。所述硅粉为单晶硅粉或多晶硅粉，纯度为99％～99.999999％，其颗粒为微米级及亚微米级，粒度在0.1-25μm之间。所述石墨粉为高纯度石墨粉，其纯度为99.9％-99.99999999％，粒度在5-40μm之间。所述热解碳是以纳米级中间相沥青为前驱体材料制得。形成热解碳壳体结构的前驱体材料纳米级中间相沥青，是将中间相沥青浸入纳米研磨机进行湿式研磨2-3小时得到，研磨后中间相沥青的粒度为30nm至50nm。

为实现上述发明目的，本发明还给出了锂离子电池用高能硅碳负极材料的制造工艺。

本发明给出的用硅粉直接包覆热解碳形成锂离子电池负极材料的制造工艺步骤条件如下：

(1)将10％～60％硅粉放入到加入惰性气体保护的高温反应釜中，高温反应釜升温速率为每1小时升温100℃、加温时间为3-5小时、使高温反应釜内的温度为300℃-500℃，高温反应釜搅拌速度为60-300转/分钟，在高温反应釜中完全干燥并烧掉一些污染物；

(2)使高温反应釜降温至200℃-300℃，该高温反应釜内温度接近但不超过纳米级中间相沥青的软化点；

(3)将用于包覆层的40％-90％纳米级中间相沥青输入到热管中加温3-10秒钟，使经过热管的纳米级中间相沥青温度为200℃-350℃，该温度略高于纳米级中间相沥青的软化点，从而得到纳米级半液体中间相沥青；

(4)将经过热管加温得到的半液体纳米级中间相沥青送至纳米喷嘴，经纳米喷嘴高速喷出的纳米级中间相沥青雾滴进入到所述的高温反应釜中，高温反应釜的搅拌速度为60-300转/分钟，在高温反应釜中，纳米级中间相沥青雾滴混合包覆硅粉2-3小时，此过程高温反应釜内温度为200℃-300℃，该温度接近但不超过纳米级中间相沥青的软化点，高温反应釜内的压力为10^-5-10^-3Pa；