[发明专利]一种锂离子电池负极用硅碳基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术，特别涉及一种锂离子电池负极用硅碳基复合材料的制备方法。

背景技术

相比于其他二次电池，锂离子电池具有能量密度大、循环寿命长、工作电压高等优点。这使其在人们的生活中得到了广泛的应用，成为目前各种便携式电子设备的理想电源。锂离子电池的性能主要由其内部的电极材料来决定。碳材料是目前商业化的锂离子电池负极材料，这是因为其具有放电平台平稳、充放电可逆性好和成本低等优点，但同时，石墨等碳负极材料也存在理论比容量低（372mAh/g）、安全性能差和首次不可逆容量大等缺点。其中理论容量低这个缺点不能通过改进制备工艺来解决，成为限制锂离子电池发展的根本性障碍，所以需要研究开发新型锂离子电池负极材料。

在众多碳负极的替代材料中，硅基材料以其超高的理论容量（4200mAh/g）受到广大研究者的关注。硅基材料还具有嵌锂/脱锂电压适中，不易与电解液反应和资源丰富等优点。但硅基负极材料存在两个致命缺点：一是由于硅晶体是类似于金刚石的晶体结构，它在嵌锂-脱锂的过程中会产生巨大的体积变化（>300%）,从而导致电极材料在循环过程中逐渐粉化，活性物质脱离集流体，导致循环性能下降；二是由于硅是半导体，加上充放电过程中的相转变使其不可逆容量大，充放电效率较低。

为了克服上述问题，近年研究者们提出了各种改进方法，如纳米硅/多孔硅颗粒的制备、硅粒表面处理、硅薄膜化、硅化物的多相掺杂等。其中硅化物包括硅的氧化物和硅基复合物。纳米单质硅的不可逆容量高，循环性能差，而且容易团聚；硅的氧化物首次不可逆容量比较高，而且需要消耗较多的电解液；以上两者都不能从根本上改变硅的导电性差的问题。相比之下，采用硅基复合物的路线可以有更多的成分上和工艺上的改变，进而有效解决硅基负极存在的问题。复合物体系中又包括硅-金属和硅-碳等。硅-金属体系的体系膨胀效应缓解不明显，而且容量保持率较差。因此硅-碳体系的研究具有良好的前景。

碳类负极具有良好的导电性，而且在嵌锂-脱锂的过程中体积变化很小，将硅碳进行复合，能实现它们的优势互补，对于制备出性能优异的锂离子电池负极材料具有实际意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺点与不足，提供一种锂离子电池负极用硅碳基复合材料的制备方法，制备出硅颗粒更小，分布更均匀的复合物。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种锂离子电池负极用硅碳基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

第一步球磨：先在单质硅中加入助磨剂进行球磨；

第二步球磨：将经第一步球磨后的硅粉末和碳原料粉末混合后，加入助磨剂再进行球磨。

所述碳原料粉末的质量百分含量为20~80%。

所述助磨剂为无水乙醇。

所述第一步球磨过程中助磨剂的质量为单质硅的1~7%。

所述第二步球磨过程中助磨剂的质量为硅粉末和碳原料粉末总质量的1~5%。

所述球磨采用介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨法。

所述介质阻挡放电等离子体辅助高能球磨法采用的放电气体介质为惰性气体。

所述第一步球磨过程中磨球与单质硅的质量比为30:1～60:1。

所述第二步球磨过程中磨球的质量与硅粉末和碳原料粉末的总质量之比为30:1～70:1。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明通过先将单质硅球磨，再将单质硅和碳原料混合后球磨的两步球磨方法，得到更加细小的硅颗粒，使其在碳基体上的分布更均匀，更能利用碳基体的缓冲效应和高导电性，能提高电池循环性能。

（2）本发明在制备的Si-C复合材料中添加助磨剂无水乙醇，可以有效防止纳米级硅颗粒的团聚效应，使硅均匀弥散的分布在碳的基体上，使碳基体的缓解效应可以有效发挥出来，为良好的电池性能提供有力保障。

（3）本发明采用等离子体辅助球磨法，能量高，能有效细化硅颗粒。在高压放电环境中，由于大量高能电子的产生，电场的能量传递给了中性粒子，使粒子极微小区域受到很高的电子冲击，导致应力集中而容易破碎。这使得脆性的硅颗粒更加容易细化，可以达到纳米级。纳米级的硅颗粒可以有效减小电极在充放电过程中的体积膨胀效应，有利于保持电极的稳定性，提高其循环性能。