[发明专利]一种高压实硅碳负极前驱体材料及其高压实硅碳负极材料

说明书

本发明提供了具有类马鞍面结构的高压实硅碳负极前驱体材料及其硅碳负极材料，硅碳负极前驱体材料由纳米硅和碳材料复合而成，所述高压实硅碳负极前驱体材料的颗粒具有一个或者多个凹陷的曲面，构成曲面的曲线中至少有一条曲线为焦点在颗粒外部的抛物线。制备方法为：将纳米硅和碳源分散于溶剂中，搅拌均匀得悬浮液；纳米硅粒径为50～200nm，纳米硅中氧含量为8.0wt.％～25.0wt.％；将悬浮液喷雾造粒，喷雾入口温度150～190℃，出口温度75～100℃；将喷雾造粒后的样品于惰性气氛下煅烧，得硅碳负极前驱体材料。本发明前驱体材料机械强度高，辊压后颗粒结构仍保持完整，可获得高压实密度极片。

技术领域

本发明属于二次电池技术领域，具体涉及一种高压实硅碳负极前驱体材料及其制备方法和制备的高压实硅碳负极材料。

背景技术

硅材料具有超高理论比容量(Li₂₂Si₅，4200mAh/g)、丰富的储量和低廉的成本等优势，成为当前锂离子电池电极材料研发的重点和热点。但硅材料在充放电过程中伴随巨大的体积膨胀(高达300％)，易造成硅颗粒破裂或粉化，电接触失效，电池性能急速衰退，这严重制约了硅负极材料的产业化道路。为了抑制和缓解硅负极的体积膨胀，主要通过硅的纳米化、构建结构疏松多孔且颗粒分散良好的硅碳复合材料进行改善。在硅碳复合材料中，碳材料可以抑制纳米硅的团聚和缓冲硅的体积膨胀；同时碳材料良好的电导性可有效地提高硅体积膨胀后的电接触，从而有效地提高材料的电化学性能。但是目前的多孔类硅碳负极材料的松装密度和压实密度较低，不利于获得高面载量的电池极片，另外在后期极片进行辊压处理时，多孔结构极易发生破损、比表面积极具增大、电化学性能衰减严重，难以满足商业化锂离子电池应用的需求。因此亟需开发具有高压实密度的高性能硅碳复合材料。

专利文献CN105932245B提供了一种高压实密度硅碳负极材料，该发明是将以粒径小于200nm且表面有一层均匀包覆层的纳米硅均匀分散在多孔硅碳球内部，硅碳复合材料为多孔的球形结构。专利文献CN109360946B提供了一种高压实密度硅碳负极材料制备方法，具体是通过多次混合包覆工艺解决表面碳包覆不均和不完整的问题，解决了硅碳负极难以提高压实密度的难题。目前研发的硅碳复合材料均可以定义为由核心层和包覆层组成的颗粒，核心层为纳米硅、碳均匀分散的复合材料，即硅碳负极的前驱体材料，经过后续的包覆工艺获得较低的比表面积从而制得可商业化应用的硅碳复合负极材料。上述专利文献中除优化纳米硅、碳的分散和复合外，提高材料压实密度的工作集中在包覆层的优化工艺方面，该方法包覆层对核心层具有结构加固作用，但只能在一定程度上提高成品材料的机械性能；因核心层材料机械性能未有本质提高，在更高压实密度的极片制造过程中，核心层难以承受包覆层传递过来的强大压力时，仍会出现结构破损甚至坍塌。

发明内容

针对现有技术中电池极片制作过程的辊压工序中，硅碳材料易出现颗粒破损、复合结构坍塌的问题。本发明提供了具有类马鞍面结构的高压实硅碳负极前驱体材料及其制备方法和制备的硅碳负极材料，该前驱体材料具有高机械强度和高压实密度，有助于提升电池的循环性能和能量密度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种高压实硅碳负极前驱体材料，所述高压实硅碳负极前驱体材料由纳米硅和碳材料复合而成，所述高压实硅碳负极前驱体材料的颗粒具有一个或者多个凹陷的曲面，构成曲面的曲线中至少有一条曲线为焦点在颗粒外部的抛物线。

优选的，纳米硅在高压实硅碳负极前驱体材料中的含量为25.0wt.％～85.0wt.％。

一种高压实硅碳负极前驱体材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将纳米硅和碳源分散于溶剂中，搅拌均匀制得悬浮液；纳米硅粒径为50～200nm，纳米硅中氧含量为8.0wt.％～25.0wt.％；

步骤2，将悬浮液喷雾造粒，喷雾入口温度为150～190℃，出口温度为75～100℃；