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CN108565408A - 一种锂离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。本发明的负极材料采用了碳‑硅‑碳三层三维球状的结构，最里面一层为石墨碳，用于提供硅在嵌入/脱嵌锂离子过程中的体积膨胀空间；中间一层为非晶态硅，作为负极用于接受从正极迁移过来的锂离子，实现储能；最外一层为热解碳或PECVD沉积碳，用于提供稳定的骨架结构，以保证硅在膨胀和缩小的过程中负极整体的稳定性，从微观上防止粉化和脱落等现象的发生。本发明的负极材料结构设计，既保证了硅作为负极比容量大的优点，又运用石墨柔软易变形的特点为硅的体积膨胀提供了空间，还运用具有一定强度的碳作为骨架进一步保证了负极材料整体的稳定性。

Description

一种锂离子电池负极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。
背景技术
自上世纪90年代可安全利用的石墨负极的发明以来，其较低的脱嵌锂电位、合适的可逆容量、较高的首次效率和循环稳定性且具有资源丰富、价格低廉等优点推动了锂离子电池在个人电子设备等领域的大规模应用。
进入21世纪，随着高比能量3C产品和电动车日益发展，石墨类碳材料负极理论比容量低的缺点(372mAh/g)逐渐凸显，严重限制了锂离子电池大规模储能的发展。与此同时，硅因具有较高理论比容量(4200mAh/g)，储量丰富和价格低廉，成为受到广泛观注的负极材料之一。然而，硅负极材料的缺点较为明显，在锂离子脱嵌过程中其存在巨大的体积膨胀效应，导致硅基材料的粉化和脱落，使得比容量和库伦效率不断衰减，循环寿命较差。因此，对硅基材料改性处理，降低其嵌入/脱嵌过程中的体积膨胀效应成为了解决硅基负极材料应用的关键技术。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有锂离子电池中石墨类碳负极材料存在的理论比容量低和硅负极材料体积膨胀的技术问题，本发明提供了一种锂离子电池负极材料及其制备方法，该负极材料采用了碳-硅-碳三层三维球状的结构。
该锂离子电池负极材料的微观结构为碳-硅-碳三层包覆结构，最里面一层为石墨碳，较为柔软易变形，用于提供硅在嵌入/脱嵌锂离子过程中的体积膨胀空间；中间一层为非晶态硅，作为负极用于接受从正极迁移过来的锂离子，实现储能；最外一层为具有较稳定结构的热解碳或PECVD沉积碳，用于提供稳定的骨架结构，以保证硅在膨胀和缩小的过程中负极整体的稳定性，从微观上防止粉化和脱落等现象的发生。
其制备方法1如下：
步骤1、将作为碳源的石墨与作为硅源的非晶态硅按照1:1-1:5的比例配好后，制成纳米级的混合微粒。
随后将混合微粒加入分散剂溶于有机溶剂并均匀混合。然后将其干燥，再将干燥后的混合物烧结，得到非晶态硅包覆的石墨微粒。
步骤2、将步骤1所得石墨微粒通过搅拌均匀混入沥青溶液中，然后在真空环境下加热至70-100℃使其完全干燥，从而得到固态相的碳-硅-碳包覆的前驱体。
步骤3、将步骤2所得前驱体在200-300℃下加保温，然后在氩气保护下加热至热解。热解后的产物粉碎为几微米至几十微米粒径的颗粒，即得到目标产物非晶态碳-非晶态硅-石墨碳三层三维球形结构负极材料。
其制备方法2如下：
步骤1、将作为内层碳源的石墨制成纳米级的均匀微颗粒。
步骤2、运用PECVD方法以硅烷为硅源在步骤1所得微颗粒外层沉积非晶态硅层。
步骤3、运用PECVD方法以甲烷和氢气为碳源再在步骤2所得微颗粒的非晶态硅层外沉积最外层碳，最终制得几微米至几十微米粒径的非晶态碳-非晶态硅-石墨碳三层三维球形结构负极材料。
本发明特殊的负极材料结构设计，既保证了硅作为负极比容量大的优点，又运用石墨柔软易变形的特点为硅的体积膨胀提供了空间，还运用具有一定强度的碳作为骨架进一步保证了负极材料整体的稳定性。
附图说明
图1本发明碳-硅-碳三层三维球形结构负极材料示意图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
步骤1、石墨和非晶态硅按照1:3的比例配好放入球磨机中球磨24小时，制得80-100纳米粒径的混合微粒。
步骤2、将混合微粒和分散剂溶于乙醇与水配得混合溶液，并搅拌均匀。
步骤3、将步骤2所得混合溶液进行喷雾干燥。
步骤4、将步骤3中所得混合物进行烧结，得到非晶态硅包覆的石墨微粒。
步骤5、将步骤4所得石墨微粒通过机械搅拌均匀混入沥青溶液中并在真空环境下加热至80℃干燥3小时，从而得到固态相的碳-硅-碳包覆前驱体。
步骤6、将步骤5中前驱体在250℃下加保温3小时，然后在氩气保护下加热至1050℃热解。
步骤7、将步骤6热解后的产物经压碎后过300目筛，就可得到目标产物非晶态碳-非晶态硅-石墨碳三层三维球形结构负极材料。
实施例2：
步骤1、将作为内层碳源的石墨放入球磨机中球磨24小时，制得80-100纳米粒径均匀微颗粒。
步骤2、运用PECVD方法以硅烷为硅源在这些均匀微颗粒外层沉积非晶态硅层。
步骤3、运用PECVD方法以甲烷和氢气为碳源对步骤2所得沉积有硅外层的微颗粒沉积最外层碳，即可获得非晶态碳-非晶态硅-石墨碳三层三维球形结构负极材料。
最终制备的非晶态碳-非晶态硅-石墨碳三层三维球形负极材料其结构如图1所示。

Claims (3)

1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于：
微观结构为碳-硅-碳三层包覆结构，最里面一层为石墨碳，用于提供硅在嵌入/脱嵌锂离子过程中的体积膨胀空间；中间一层为非晶态硅，作为负极用于接受从正极迁移过来的锂离子，实现储能；最外一层为热解碳或PECVD沉积碳，用于提供稳定的骨架结构，以保证硅在膨胀和缩小的过程中负极整体的稳定性，从微观上防止粉化和脱落等现象的发生。
2.如权利要求1所述锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将作为碳源的石墨与作为硅源的非晶态硅按照1:1-1:5的比例配好后，制成纳米级的混合微粒；
随后将混合微粒加入分散剂溶于有机溶剂并均匀混合，然后将其干燥，再将干燥后的混合物烧结，得到非晶态硅包覆的石墨微粒；
步骤2、将步骤1所得石墨微粒通过搅拌均匀混入沥青溶液中，然后在真空环境下加热至70-100℃使其完全干燥，从而得到固态相的碳-硅-碳包覆的前驱体；
步骤3、将步骤2所得前驱体在200-300℃下加保温，然后在氩气保护下加热至热解，热解后的产物粉碎为几微米至几十微米粒径的颗粒，即得到目标产物非晶态碳-非晶态硅-石墨碳三层三维球形结构负极材料。
3.如权利要求1所述锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将作为内层碳源的石墨制成纳米级的均匀微颗粒；
步骤2、运用PECVD方法以硅烷为硅源在步骤1所得微颗粒外层沉积非晶态硅层；
步骤3、运用PECVD方法以甲烷和氢气为碳源再在步骤2所得微颗粒的非晶态硅层外沉积最外层碳，最终制得几微米至几十微米粒径的非晶态碳-非晶态硅-石墨碳三层三维球形结构负极材料。
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