[发明专利]一种锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电池制造技术领域，尤其涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

随着各种便携式电子设备及电动汽车的广泛应用和快速发展，人们对各类电产品电源的需求和性能要求也越来越高，锂离子二次电池以其高功率特性等优越的综合性能在近十年来成功并广泛应用于移动电子终端设备领域。

锂离子电池性能的改善主要取决于嵌脱锂电极材料的性能。目前，商用锂离子电池广泛采用中间相碳微球和改性石墨作为负极材料，但存在理论储锂容量较低(石墨为372mAh/g)，易发生有机溶剂共嵌入等缺点，因此高容量锂离子电池负极材料的研究与应用已成为提高电池性能的关键。在已知的储锂材料中，硅具有最高的理论容量（不包括嵌入锂的质量时，约为4200mAh/g）和较为适中的嵌脱锂电位（约0.1-0.5V v s.Li/Li⁺），非常适用于作锂离子电池的负极材料。但是硅基材料在高程度嵌脱锂条件下，存在严重的体积效应，容易导致材料的结构崩塌和电极材料的剥落而使电极材料失去电接触，从而造成电极循环性能急剧下降。

发明内容

本发明的目的在于针对现有锂离子电池负极材料提出的上述不足，提供一种首次可逆容量大和循环性能优良的硅碳复合负极材料的制备方法。

本发明的另一目的是提供采用上述方法制备得到的一种锂离子电池负极材料。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

具体地，本发明中硅粉所占质量份额为1－30份，粒度范围为50－500nm；石墨为天然球形石墨，所占质量份额为60－97份，粒度范围为7－22um，石墨中固定碳含量在99.95%以上；高分子聚合物是聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩中的一种或任几种的组合；包覆剂是沥青、酚醛树脂、糠醛树脂和环氧树脂中的一种或任几种的组合，所占质量份额为2－10份；溶剂是甲苯、喹啉、四氯化碳、石油醚、溶剂汽油、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮和乙酸乙酯中的一种或任几种的组合；惰性气体是氮气、氩气、氦气、氖气和氙气中的一种或任几种的组合。

具体的步骤是：

a)向硅粉中加入特定高分子聚合物的N-甲基吡咯烷酮（简称NMP）溶液，搅拌4小时后，在40－80℃下进行烘干；

b)将硅粉、石墨进行机械球磨混合，机械球磨混合的转速为1000－4000rpm,球磨时间为1-10小时；然后在真空条件下进行干燥，烘干温度为40－200℃，真空干燥时间为4－16小时；

c)将包覆剂溶解于溶剂中来制作包覆剂的溶液，溶解温度为25－200℃，搅拌频率为5－50赫兹，搅拌时间为0.5－10小时；

d)将步骤b制得的硅粉与石墨的混合物冷却后加入到步骤c的溶液中进行包覆，包覆时可以补充适量的溶剂，包覆温度为25－200℃，搅拌频率为5－50赫兹，搅拌时间为0.5－10小时；

e)抽滤除去溶剂并进行真空干燥，真空干燥时间为4－15小时，然后在惰性气体的保护下进行高温热处理，具体过程是先以1－5℃/min的升温速度升温到400－600℃，恒温4－7小时，然后以2.5－4℃/min的升温速度升温到900－1200℃，恒温5－8小时，最后自然冷却至常温。

在最后得到负极材料后，还可以进一步地进行过筛处理，过筛目数为200目，然后再次加入步骤c的溶液中，重复进行步骤d与步骤e。

本发明公开了一种锂离子电池负极材料的制备方法，采用的纳米硅具有比表面积大、离子扩散路径短、蠕动性强以及塑性高等特点，能够一定程度上抑制合金类材料的体积效应，并且提高其电化学性能；通过在硅材料表面形成一层具有导电性和电化学的高分子聚合物膜，大大降低了硅在充放电循环过程中发生体积效应进而团聚的可能性，改善了因硅微粉团聚而产生的导电性恶化的状况；同时采用对进行机械球磨混合这种对石墨表面的改进工艺，不仅可以大幅提高材料的首次库伦效率，延长电极的循环寿命，还能够缩短锂离子在石墨层中的扩散路径，改善电极材料的高倍率性能；同时，通过包覆剂的包覆使硅粉没有全部同时参与电化学反应，而是在后面的循环过程中逐步参与电化学反应。这样，通过多方面对硅碳材料的改进，可以大大提高硅碳材料的首次循环效率和循环性能。

具体实施方式

下面将结合本发明的具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

按照表1中所列规格及质量份额准备好各原料：

表1实施例一各原料的质量份额与规格