[发明专利]一种高性能硅碳负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种高性能硅碳负极材料的制备方法。

背景技术

随着科技不断地进步，各类便携式电子设备和电动汽车迎来迅猛发展，愈发需要能量高、循环寿命长的锂离子电池。负极材料是锂离子电池中一个重要组成部分，材料硅以超过石墨10倍的理论比容量（4200mAh/g，Li₂₂Si₅）和大的体积能量密度（9786mAh/cm³）成为目前热门的研究对象，另外，来源广和成本低也是硅的一大优势。然而，硅在嵌锂时有着巨大的体积效应（体积变化约300%），产生的内部应力容易使硅粉化，导致极化增大，容量迅速衰减；嵌锂时硅颗粒的体积膨胀导致颗粒相互挤压，脱锂时硅颗粒收缩，容易导致电极导电网络破坏和崩塌；巨大的体积变化还会导致硅表面的SEI膜被破坏，新暴露的硅继续和电解液接触形成新SEI膜，循环反复导致SEI膜越来越厚，充放电效率降低，电解液消耗，进而内阻增大，容量衰减。

为避免硅的循环稳定性差的缺点，目前的技术方案大致为硅材料的纳米化，包覆处理，多孔结构和复合化等。而碳包覆处理是目前最常用的手段，主要分为固相碳包覆、液相碳包覆和气相碳包覆。固相碳包覆方法简单但包覆效果较差，气相碳包覆效果最佳，但成本较高，不适合产业化。而液相碳包覆具备两者的优点，碳包覆效果较好且容易实习产业化。现有的液相碳包覆工艺一般是用聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、葡萄糖、柠檬酸等有机碳源与硅基材料球磨包覆，再热解处理实现碳包覆，但是这些材料本身分子链小、残炭率低，热解炭松散，导比表面积高碳包覆不完全，从而导致材料首次效率和循环寿命都较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，现提供一种性能优越、成本较低、能够适合产业化的高性能硅碳负极材料的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种高性能硅碳负极材料的制备方法，其创新点在于：具体步骤如下：

（1）按质量计，将2-4质量份的高残炭酚醛树脂和固化剂溶于100质量份的溶剂中，放于超声搅拌器中搅拌溶解；

（2）然后依次将20-24质量份石墨，1-3质量份导电剂，5-7质量份微纳米Si粉加入到上述溶液中，每加完一次样后超声搅拌分散0.5-2h；

（3）将步骤（2）浆料通过喷雾干燥设备进行干燥处理，喷雾干燥设备的进口温度为130-200℃，出口温度为60-100℃，收料置于箱式炉在惰性气氛下烧结，以1-10℃/min升温速率升温至700-1100℃，然后700-1100℃保温0.5-3h，随炉冷却，然后对所得粉体进行收集并分级处理，得到平均粒径小于45μm的粉体；

（4）取步骤（3）中100质量份的粉体和5-15质量份沥青加入加热混合机中，以5℃/min升温至300-350℃保温1h，接着以2℃/min升温至500-550℃保温1h，最后以2.5℃/min升温至700-900℃保温2h，冷却至室温，最后过筛分级得到平均粒径小于30μm的硅碳负极材料。

进一步的，所述步骤（1）中的高残炭酚醛树脂为热塑性树脂，所述热塑性树脂选用硼酚醛树脂、含磷酚醛树脂、含芳基酚醛树脂中的一种或者两种及以上的混合。

进一步的，所述步骤（1）中的固化剂的质量占高残炭酚醛树脂质量的2-10%，所述固化剂为六次甲基四胺、三聚甲醛、二乙胺基丙胺、三甲基六亚甲基二胺、具有固化作用的热固性树脂中的一种或两种及以上的任意组合；所述溶剂为甲醇、乙醇、丙酮中的任意一种。

进一步的，所述步骤（2）中石墨为天然石墨、片状石墨、球型石墨中的一种或两种及以上任意组合，所述导电剂为乙炔黑、Super P、碳纳米管、石墨烯中的一种或两种及以上任意组合，所述微纳米Si粉平均粒径≤100nm。

进一步的，所述步骤（3）中的喷雾干燥设备是利用离心喷雾、气流喷雾、压力喷雾原理工作的设备中的一种，所述惰性气氛为氮气、氦气、氩气中的一种。

进一步的，所述步骤（4）中的沥青包括煤沥青、石油沥青、浸渍沥青、改质沥青、中间相沥青中的一种或两种及以上任意组合，所述沥青的软化点大于100℃，所述沥青的结焦值大于40%。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明通过液相法进行了初次包覆处理，工艺简单、制造成本低、产率高，且酚醛树脂相对于其他可溶性碳源残炭率更高，碳包覆层更致密。