[发明专利]一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷及制备方法

说明书

本发明提供了一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷及制备方法。将钛、四氟化钛、硅、四氟化硅与碳黑粉末混合均匀，放入石墨坩埚，置于焙烧炉中，在空气氛围下进行预热，接着迅速升温使得混合粉末发生燃烧，结束后自然冷却，制得氟掺杂Ti₃SiC₂的混合材料，即为用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷。该方法通过氟化处理，氟原子的引入可以促进嵌入的锂离子与硅原子的复合，同时氟原子与锂离子可以在层间形成一层较薄的氟化锂层，有效抑制了锂离子向负极材料表面迁移，从而可抑制负极材料的容量衰减。

技术领域

本发明涉及锂电池领域，具体涉及锂电池负极材料的制备，特别是涉及一种用于锂电池负极材料的改性钛硅碳陶瓷及制备方法。

背景技术

自1990年日本索尼公司率先推出第一款可充电型锂离子电池以来，经过近30年的发展，目前的锂离子电池已经广泛应用于电动汽车、电动自行车、备用电源、移动通讯装备等要求大容量或大倍率充放电的动力装置。锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜构成，负极材料是锂离子电池的重要组成部分，负极材料的组成和结构对锂离子电池的电化学性能具有决定性的影响。

传统锂离子电池所使用的负极大多为碳基材料，主要为石墨，其优势在于价格低廉，原料广泛，加工性能好，对于各种锂离子电池具有普遍的适用性。但其缺点也较为突出，锂离子在石墨中的脱嵌较为困难，石墨本身的容量和电导率并不算特别高。Ti₃SiC₂具有与石墨类似的结构，钛原子与碳原子形成八面体结构，与硅原子层共同形成六方结构，这种材料同时具有金属与陶瓷的优点，具有高导电性、高导热性和较好的加工性能，在用于锂离子电池负极上具有更加优异的性能。

中国发明专利申请号200910198406.4公开了一种Ti₃SiC₂基粉体的制备方法。本发明采用将钛粉和聚碳硅烷按照重量比0.71~2.48:1混合并溶于有机溶剂，搅拌烘干使其均匀混合，对烘干的粉料低温裂解，温度为800~1200℃，保温时间0.5~2h，升温速度2~7℃/min，获得初步反应物；对初步反应物高温处理，温度为1400~1600℃，保温时间0.5~2小时，升温速度2~7℃/min。

中国发明专利申请号201710840123.1/3公开了一种锂离子电池负极材料的制备方法，将Ti₃SiC₂在无氧条件下进行球磨，得到锂离子电池负极材料。该发明通过球磨使Ti₃SiC₂分解为SiC和钛碳化合物，所得SiC和钛碳化合物之间易于形成异质结，从而使SiC和钛碳化合物能够发挥协同作用。采用该发明所提供的制备方法得到的锂离子电池负极材料具有优异的循环性能，且该制备方法工艺简单，原料价廉易得，无污染，生产成本低，适合批量生产。

中国发明专利申请号200910235699.9公开了一种用于锂离子电池的负极材料，其为由有机化合物和金属或类金属材料形成的配合物。该发明还提供该负极材料的制备方法，包括：在常压和0~25℃温度范围内，将金属材料或类金属材料与有机化合物均匀混合后，加入氧化剂，即得到所需的有机化合物和金属或类金属材料的配合物。

中国发明专利申请号201410168843.2公开了改性锂离子电池石墨负极材料及其制备方法，该石墨负极材料的表面包覆有Ti₂SiC₂导电网络。称取钛源、硅源和石墨，在惰性气体保护下，添加分散剂并进行球墨或超声混合处理，干燥；将干燥料在氢气和惰性气体混合气氛保护下烧结处理。

根据上述，现有方案中用于锂电池的钛硅碳陶瓷负极材料，与传统负极相同，由于锂离子是嵌入层间通过物理限域作用固定，容易导致锂离子向负极材料表面迁移加厚SEI膜甚至形成锂枝晶，从而造成容量衰减，因此对于钛硅碳负极材料的改性以控制其容量衰减具有十分重要的实际意义。

发明内容