[发明专利]硅碳负极材料及制备方法、锂离子电池

说明书

本发明公开了硅碳负极材料及制备方法、锂离子电池。该方法包括：将纳米硅颗粒、氧化石墨烯分散液、有机分散剂进行混合，获得混合液；对所述混合液进行喷雾干燥处理，并对经所述喷雾干燥处理获得的产物进行碳化处理，以获得所述硅碳负极材料，其中，所述氧化石墨烯的片径为所述纳米硅颗粒粒径的35‑45倍。由此，利用该方法获得的硅碳负极材料具有较低的膨胀率以及良好的循环性能，使得应用该硅碳负极材料的锂离子电池具有良好的使用性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体地，涉及硅碳负极材料及制备方法、锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、重量轻、自放电率小等优点，广泛应用于手机、笔记本电脑、可穿戴设备等小型便携式设备以及新能源汽车中。相较于小型便携式设备，新能源汽车对锂离子电池性能的要求更高。目前，锂离子电池主要以石墨材料为负极活性物质，其理论容量仅为372mAh·g^-1，无法满足新能源汽车对高性能锂离子电池的要求。硅的理论容量为4200mAh·g^-1，超出石墨材料一个数量级，同时硅的价格低廉、加工过程环境友好且具有较低的嵌锂电位，因此，受到广泛关注和研究。

然而，目前的硅碳负极材料及制备方法、锂离子电池仍有待改进。

发明内容

本发明是基于发明人对于以下事实和问题的发现和认识作出的：

硅材料在充放电过程中体积膨胀极大(约为400％)，容易造成工作过程中负极活性物质脱离和结构破坏，导致负极活性物质的循环性能极快衰，同时影响硅的高比容量的发挥。此外，硅材料本身导电性能较差，也影响了其高比容量的发挥。目前，为了缓解硅材料的上述问题，通常采用碳材料包覆硅形成复合材料作为负极活性物质，然而，发明人发现，简单的包覆并不能发挥出复合材料的结构优势，并且常规碳材料本身的导电性和机械强度也不足以弥补硅导电性差的缺点，且也无法有效抑制硅的膨胀。

本发明旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中至少一个。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备硅碳负极材料的方法。该方法包括：将纳米硅颗粒、氧化石墨烯分散液、有机分散剂进行混合，获得混合液；对所述混合液进行喷雾干燥处理，并对经所述喷雾干燥处理获得的产物进行碳化处理，以获得所述硅碳负极材料，其中，所述氧化石墨烯的片径为所述纳米硅颗粒粒径的35-45倍。由此，利用该方法获得的硅碳负极材料具有较低的膨胀率以及良好的循环性能，使得应用该硅碳负极材料的锂离子电池具有良好的使用性能。

根据本发明的实施例，所述纳米硅颗粒与所述氧化石墨烯的质量比为(1:10)～(10:1)。由此，可抑制硅的膨胀，并使得硅碳负极材料获得较高的比容量以及良好的循环性能。

根据本发明的实施例，所述氧化石墨烯分散液的固含量为0.5％-2.5％。由此，便于喷雾干燥的进行，且可提高生产效率。

根据本发明的实施例，所述氧化石墨烯的片径为0.05-10μm。由此，氧化石墨烯可以较好地包覆纳米硅颗粒，抑制硅的膨胀。

根据本发明的实施例，所述纳米硅颗粒的粒径为30-150nm。由此，可以有效避免硅颗粒在脱嵌锂过程中由于体积变化而发生破裂或粉化。

根据本发明的实施例，所述氧化石墨烯的片径通过高速剪切、高能超声、球磨或者高速搅拌进行调控。由此，利用上述方法可提高氧化石墨烯片径的均匀度，提高氧化石墨烯对纳米硅颗粒的包覆效果，以及提高硅碳负极材料的均一性。

根据本发明的实施例，所述氧化石墨烯的片径通过高速剪切进行调控，所述高速剪切的转速为20000-28000rpm，所述高速剪切的时间为0.5-3h。由此，可有效提高氧化石墨烯片径的均匀度，以提高硅碳负极材料的均一性。