[发明专利]一种硅碳千层结构负极材料的制备方法及其产品

说明书

本发明公开了一种硅碳千层结构负极材料的制备方法，包括：将石墨置于密封性良好的回转窑炉中，通入惰性气体，升温至450～900℃；向回转窑炉中通入硅源与惰性气体的混合气，经化学气相沉积后得到沉积硅的石墨；将回转窑炉升温至800～950℃，并通入碳源气体与惰性气体的混合气，经化学气相沉积后得到包覆硅碳的石墨；重复沉积硅、碳步骤若干次后得到硅碳千层结构负极材料。本发明制备得到的硅碳千层结构负极材料，重复交替硅层碳层避免了硅体积膨胀，多层硅层及碳层均为纳米级别，整体颗粒增大有限；还规避了压实致密化处理程序对其结构的破坏，提升硅碳负极容量的同时保证了循环性能，兼具高首效、高容量、高循环性能等特点。

技术领域

本发明涉及硅-碳负极材料领域，尤其涉及一种硅碳千层结构负极材料的制备方法及其制备方法。

背景技术

随着新能源产业的发展，锂离子电池行业也随之蓬勃发展，目前锂离子电池负极材料多数还停留在石墨负极，相对于其它碳材料负极，石墨负极具有高首效的优势，但由于石墨负极的容量过小，已经跟不上下游产业的需求。硅被认为是最有希望取代石墨的候选者。具有超高的理论容量(4200mAh/g)。然而，在循环过程中，随着锂离子(Li-ion)的插层和脱层，硅颗粒的体积急剧膨胀和收缩。这种剧烈的体积变化导致了硅颗粒的粉碎、硅基电极的破坏和固体电解质界面层的反复再生，造成容量的损耗及循环衰减。

市面上不乏通过将石墨与硅复合制备硅碳复合材料作为锂离子电池的负极材料，但石墨本身的孔穴结构限制了硅复合的占比。化学气相沉积法是以气相硅源裂解沉积于石墨表面，从而实现石墨与硅的结合，其优点在于沉积均匀且利用率高，可以用于提升硅沉积比例。但该工艺也存在缺陷，硅沉积时的沉积量与石墨的比表面积相关，当沉积量高的时候，在后续制备电池时在对负极极片进行压实致密化处理(必要过程)时，由于存在一定的压力容易碎裂，造成循环“跳水”；当沉积量过低，容量提升有限，与单纯石墨电极差别不大。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种硅碳千层结构负极材料的制备方法，方法简易高效，制备的产品兼具高首效、高容量与高循环性能。

具体技术方案如下：

一种硅碳千层结构负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石墨置于密封性良好的回转窑炉中，通入惰性气体，升温至450～900℃；

(2)向所述回转窑炉中通入硅源与惰性气体的混合气，经化学气相沉积后得到沉积硅的石墨；

硅的沉积量与步骤(1)中所述石墨的比表面积的比例为1：0.5～2.0；

(3)将所述回转窑炉升温至800～950℃，并通入碳源气体与惰性气体的混合气，经化学气相沉积后得到包覆硅碳的石墨；

碳的沉积量为所述包覆硅碳的石墨总重量的2～20％；

(4)重复上述步骤(2)～(3)若干次后再经后处理得到所述硅碳千层结构负极材料。

本发明是基于实际生产中出现的硅-碳复合负极材料在进行压实致密化处理时容易碎裂，导致电池的循环性能“跳水”的问题，经过大量的试验后发现，该现象是由于在气相沉积过程中，一次性沉积过多的硅，导致其在石墨表面容易形成壳状或厚膜状，从而在受到压力下容易碎裂。基于该发现，申请人提出了本发明，首先在石墨表面进行特定硅含量沉积，保证沉积的硅形貌为离散的片状，不成壳，硅纳米颗粒小且均匀，以此基础再包覆碳层，重复上述工艺若干次并控制每次硅沉积的量。制备得到的硅碳千层结构负极材料，重复交替硅层碳层结合，避免了硅体积膨胀，多层硅层及碳层均为纳米级别，整体颗粒增大有限，同时也规避了辊压等压实致密化处理程序对其结构的破坏，提升硅碳负极容量的同时保证了优异的循环性能与高首效。