[发明专利]一种可用于动力电池的硅碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明属于电化学领域，涉及一种可用于动力电池的硅碳负极材料及其制备方法。所述方法包括以下步骤：（1）将微米级工业硅洗涤、纯化，经砂磨机粉碎，得到纳米硅；（2）将石墨砂磨粉碎得到纳米石墨粉；（3）将得到的纳米硅、纳米石墨粉，添加一定量的导电剂，并与乳化沥青充分混合后，进行喷雾干燥，得到类球状颗粒；（4）将喷雾干燥得到的颗粒与有机碳源混合均匀后，进行二次喷雾干燥，得到表面包覆碳层的硅碳前驱体；（5）在气体保护下，将硅碳前驱体进行碳化处理，得到硅碳负极材料。该负极材料具有很好的循环和倍率性能，首圈效率高，制备工艺简单，成本较低，适于工业化生产。

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种可用于动力电池的硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池因能量密度高、循环性能好等优异性能，是电化学领域研究的重点，并逐渐成为新能源汽车领域的主要动力来源。2017年2月，工业和信息化部、发展改革委、科技部、财政部联合发布《促进汽车动力电池发展行动方案（2017）》明确要求到2020年，新型锂离子动力电池的单体比能量超过300 Wh/kg。为实现这一目标，促进动力电池的快速发展，开发出新型高容量高稳定电池材料是关键。

石墨是当前动力锂电池的主要负极材料，但其理论容量只有372 mAh/g，难以满足目前对于动力电池高能量密度的要求。硅具有理论容量高（4200 mAh/g）、储量丰富等优势，有望替代石墨成为下一代动力电池负极材料。限制硅商业化应用的主要原因是硅的体积效应，巨大的体积膨胀会产生大量的不可逆容量损失，首次效率较低，随着充放电进行，硅表面SEI膜（固体电解质界面膜）会不断的破碎并重新形成，循环衰减严重。另外硅的导电性较差，在充放电过程中的体积膨胀也会导致活性物质从集流体上脱落而失活，倍率性能较差。如何有效缓解硅的体积膨胀并提高材料导电性能显得尤为重要。

目前商业化应用研究最多的方法是将纳米硅与碳复合制备出硅碳复合材料，碳具有良好的循环稳定性和优异的导电性，与硅复合可以缓冲硅的体积膨胀，同时提高复合材料导电性。主要包括与石墨、炭黑、软碳、硬碳等复合的传统硅碳材料和与碳纳米管、石墨烯等新型碳材料复合得到的新型硅碳材料，根据硅的分布方式不同也可分为包覆型、嵌入型和分子接触型等，根据形态则可分为颗粒性和网络型，根据原料种类的多少还可分为硅碳二元复合与多元复合等，与纯硅相比，循环稳定性都有了明显的提高。目前硅碳材料常选用高纯硅为硅源，材料成本较高。工业硅粉又称为金属硅，呈金属光泽，成分中除硅外，还有少量的铁、铝、钙等金属杂质，成本较低，经过纯化、粉碎得到纳米硅应用于硅碳负极材料，具有很大的成本优势和应用前景。

中国专利CN103259005B提供了一种以超细硅粉、导电炭黑和水溶性树脂为原料制备浆料后喷雾干燥并煅烧得到5~45μm的硅碳负极材料的方法。该材料为纳微三元复合结构，树脂煅烧得到的无定形碳为硅的体积膨胀提供缓冲，导电炭黑的加入弥补了硅和无定形碳导电性能的不足，但是材料并不能避免硅与电解液的直接接触，且导电炭黑为球形颗粒，在材料内部并不能形成很好的导电网络。中国专利CN105932245A公开了一种将硅、石墨添加剂混合煅烧，然后再次包覆煅烧得到多孔结构硅碳复合材料的方法，提高了材料的首圈效率，且稳定性有了一定的提升，但是原料石墨粒径较大，在内部与纳米硅并不能完全混合均匀，长时间循环后缓冲性能变差，且材料内部导电性能有待提高。

发明内容