[发明专利]一种锂离子电池硅基复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，特别是一种锂离子电池硅基复合材料的制备方法。

背景技术

目前，商品化的锂离子电池大多采用石墨类碳负极材料。该类材料的可逆嵌脱锂性能良好，但其与金属锂电极电位相近，电池过充电容易发生短路而引起安全问题，并且理论容量较低（石墨的理论容量为372mAh/g），难以通过提高负极材料的容量来提高电池的总容量。因此，硅由于具有略高于石墨的放电电位、极高的理论容量（4200mAh/g）、资源丰富、价格低廉等诸多优点而备受瞩目。然而，硅在电化学充放电过程中体积变化严重（体积变化率高达300%），造成硅粉化、剥离，以及SEI膜不断生成和破裂，最终活性物质急剧减少，容量迅速衰减，难以满足商业化电池对负极材料的要求。因此，在获得高容量的同时，如何提高硅基负极材料的循环性能，是目前的研究重点和难点。

人们通常采用材料纳米化或复合化的方法来解决硅基材料的体积膨胀问题。颗粒纳米化后可有效地缩短锂离子的传输路径，提高硅基材料的循环性能，但是纳米颗粒极易团聚，使得材料的循环性能下降。材料复合化是近年来研究的热点，其目的是将活性材料硅分散在某种或多种基体中，提高材料的导电性或者缓解硅在充放电过程中体积的变化，从而改善活性物质硅的循环性能。基体应具有比硅高的导电性或锂离子扩散速率，并且易于将硅包覆而缓冲硅的体积变化，才能有效地改善硅基材料的循环性能。

Li₄Ti₅O₁₂为零应变负极材料，具有较高的锂离子扩散速率，不与电解液发生反应而析出锂，是一种很有前景的环保型锂离子负极材料。Li₄Ti₅O₁₂与硅复合可提高锂离子的扩散速度和缓冲硅的体积变化，从而提高材料的循环性能。然而，Li₄Ti₅O₁₂的导电性很差，通常需要进行表面碳包覆等处理来提高其导电性。

发明内容

本发明的目的是提供一种锂离子电池硅基复合材料的制备方法，解决硅在充放电过程中较差的循环稳定性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种锂离子电池硅基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将硅粉、沥青、氯化锂、钛酸四丁酯分散在四氢呋喃溶液中，然后缓慢加入体积浓度为50%四氢呋喃水溶液，搅拌反应2～8h，干燥得到前驱体；

（2）在常压氩气气氛中，对步骤（1）所得前驱体进行高温处理，即得到由硅、Li₄Ti₅O₁₂和沥青热解碳组成的锂离子电池硅基复合材料。

所述步骤（1）中，硅粉粒度为1～5微米。

所述步骤（1）中，沥青为石油沥青、煤沥青和天然沥青的一种。

所述步骤（1）中，硅粉、沥青、氯化锂、钛酸四丁酯的重量比为1:0.5～5:0.2～2:2～20。

所述步骤（1）中，水与钛酸四丁酯的摩尔比为5～50:1。

所述步骤（2）中，高温处理的温度为600～900℃，高温热处理时间为5～20h。

本发明的有益效果是：所制备的锂离子电池硅基复合材料具有容量高、较长循环寿命的优点，且所采用的设备简单、易于操作、工艺条件简单易控、产率高，适合于规模化工业生产。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备材料的X射线衍射（XRD）谱图。

图2为本发明实施例1所制备材料的扫面电镜（SEM）照片。

图3为本发明实施例1所制备材料的电化学循环曲线及库伦效率曲线。

具体实施方式

本发明的锂离子电池硅基复合材料的制备方法包括如下步骤：

将重量比为1:0.5～5:0.2～2:2～20的硅粉、沥青、氯化锂、钛酸四丁酯分散在四氢呋喃溶液中，然后按水与钛酸四丁酯的摩尔比为5～50:1的比值缓慢加入体积浓度为50%四氢呋喃水溶液，搅拌反应2～8h，干燥得到前驱体。在常压氩气气氛中，将上述所得前驱体在600～900℃高温处理5～20h，即得到由硅、Li₄Ti₅O₁₂和沥青热解碳组成的锂离子电池硅基负极材料。

所述硅粉粒度为1～5微米；所述沥青为石油沥青、煤沥青或天然沥青的一种。