[发明专利]一种管-线式结构硅碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种管‑线式结构硅碳负极材料的制备方法，包括配置壳层纺丝液、芯层纺丝液和中间层纺丝液；采用由外管、中间管和内管三根管组成的三层同轴喷丝头，将壳层纺丝液加入到外管中，中间层纺丝液加入到中间管中，芯层纺丝液加入到内管中，通过横喷式静电纺丝法，制得复合同轴纤维；将复合同轴纤维先进行预氧化，然后碳化，得到管‑线式结构硅碳负极材料。本发明制备的管‑线式结构纳米纤维负极材料，同时具有纤维和中空结构，芯层的C和Si共混材料中的碳限制了硅的体积膨胀，最外层的全碳壳提供了防护，芯层与壳层之间的空腔为硅的体积膨胀提供了缓冲空间，使得充放电过程中，硅的体积膨胀问题最小化，提高了电池的循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体为一种管-线式结构硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术

锂电池性能优异，得到了广泛应用，在可移动电子设备，诸如智能手机、笔记本电脑、新能源汽车、家用小型电器、医用心脏起搏器等领域发挥着越来越重要的作用。随着对锂离子二次电池的研究开发，人们对于锂电池本身的性能和容量越发看重。然而如今商品化的锂电池因其理论容量偏低，不能满足人们的需求。因此，研发高容量、高性能的锂离子电池及其电极材料具有重要意义。

硅是极具发展前景的锂离子电池负极材料，在充电过程中，硅可以与锂形成合金储存锂离子，并且通过锂离子的嵌入与脱出实现能量的储存和释放，每个硅原子最多可容纳4.4个锂原子，从而形成一种理论容量为4200m·Ah/g的Li₂₂Si₅合金，比商业锂电池中使用的石墨(372m·Ah/g)负极高出一个数量级。但是，硅基材料在锂离子电池使用的过程中，自身体积会发生膨胀，导致机械失效，影响锂电池的使用寿命。此外，对于硅材料本身而言，其导电性能较差，会影响锂电池的充放电性能。因此，对硅基材料的研究关键在于抑制其体积膨胀，并提高其导电性能。解决这一问题的传统办法是制备碳包覆硅的材料，利用碳的骨架结构作为其充放电过程中体积变化的缓冲载体，从而降低由于体积变化而导致的电池性能的下降。但是由于材料在充放电过程中体积变化非常巨大，简单的碳包覆结构不足以完全克服体积膨胀的难题。

专利201610993141.7中公开了一种SnO₂@C锂离子电池负极材料的制备方法，该工艺为双层同轴纺丝，得到一种简单的碳包覆结构，芯层没有额外的约束力，Si体积膨胀的问题未得到充分解决。申请号为201810224334.5的文献公开了一种制备碳包覆硅的锂离子电池负极材料制备方法，制备过程需要用到氢氟酸，危险系数比较高，而且经过氢氟酸刻蚀后，材料的强度会相应降低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种管-线式结构硅碳负极材料及其制备方法。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种管-线式结构硅碳负极材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)配置壳层纺丝液、芯层纺丝液和中间层纺丝液；

所述壳层纺丝液是均一的PAN溶液；所述芯层纺丝液是将硅粉加入到PAN的DMF溶液里形成分散液；所述中间层纺丝液是与壳层纺丝液和芯层纺丝液均不混溶且在后续的预氧化工艺中能被去除的乳液或溶液；

(2)制备复合同轴纤维：采用由外管、中间管和内管三根管组成的三层同轴喷丝头，将步骤(1)制备的壳层纺丝液加入到外管中，中间层纺丝液加入到中间管中，芯层纺丝液加入到内管中，通过横喷式静电纺丝法，在高压静电的作用下，制得[PAN+硅粉]@[中间层]@PAN的复合同轴纤维；

(3)制备管-线式结构硅碳负极材料：将步骤(2)得到的复合同轴纤维先进行预氧化，保证PAN的交联和中间层的全部消除；然后碳化，得到管-线式结构硅碳负极材料。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：