CN102376944A

CN102376944A - 制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法

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Publication number: CN102376944A
Application number: CN2011103787195A
Authority: CN
Inventors: 岳敏; 何鹏; 侯贤华; 李胜; 黄友元; 刘祥
Original assignee: Shenzhen BTR New Energy Materials Co Ltd
Current assignee: BTR New Material Group Co Ltd
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2031-11-24
Also published as: CN102376944B

Abstract

本发明公开了一种制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，要解决的技术问题是提高硅碳复合负极材料的循环性能与比容量。本发明的方法包括以下步骤：将纳米硅粉分散在有机溶液中，形成均匀的纳米硅悬浮液，将硅烷偶联剂加入到纳米硅悬浮液中，碳包覆，热处理。本发明与现有技术相比，加入硅烷偶联剂，提高了纳米硅颗粒在硅碳复合材料中的分散性，抑制硅在脱嵌锂过程中团聚造成的体积效应，从而提高硅碳复合负极材料的循环性能与比容量，容量大于500mAh/g，循环50次容量保持率在97％以上，制备成本低廉，工艺简单可控，并且可通过调节Si粉，石墨与有机物的质量比例，容易制备出不同容量的硅碳合金负极材料。

Description

制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用负极材料的制备方法，特别是一种硅碳合金负极材料的制备方法。

技术背景

锂离子电池作为能源储能系统，具有高能源效率、高能源密度、优秀的存储性能等众多优点而备受人们关注。随着快速发展的经济对能源材料需求的增加，以及便携式电子设备与新能源汽车等产品对新型、高效、环保能源材料的强劲需求，锂离子电池材料得到了迅速发展。目前锂离子电池广泛采用石墨类碳负极材料，然而石墨类碳负极材料的理论储锂容量较低(372mAh/g)，已不能满足新产品对锂离子电池提出的高功率或大容量的要求，因此新型高性能负极材料的开发极具迫切性。

硅材料以高储锂容量(理论容量4200mAh/g)和丰富的资源被认为是替代石墨负极材料的理想候选材料之一，然而，硅在脱嵌锂过程中存在严重的体积效应，当其结合锂原子形成合金Li_4.4Si时，体积膨胀达300％，当锂离子脱出后体积严重收缩，持续的体积变化容易导致材料结构崩塌和电极材料剥落，造成电极的循环稳定性差。研究表明，采用纳米硅制备硅碳复合负极材料可以减少硅的绝对体积变化程度，同时还能减少锂离子的扩散距离，提高电化学反应速率，然而，活性纳米硅颗粒在充放电过程中容易团聚，造成容量的衰减。现有技术采用球磨法或热解法制备的硅碳合金材料均一性较差，纳米硅颗粒在复合材料中的分散性不好，影响硅碳材料的性能。因此，解决硅碳负极材料中纳米硅颗粒的分散性，减少纳米硅颗粒的团聚，对于提高硅碳复合负极材料的循环性能和比容量意义重大。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，要解决的技术问题是提高硅碳复合负极材料的循环性能与比容量。

本发明采用以下技术方案：一种制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，包括以下步骤：一、将粒度在50～500nm的纳米硅粉，按纳米硅粉与有机溶液质量比5～25％，分散在有机溶液中，形成均匀的纳米硅悬浮液；所述有机溶液是乙醇，异丙醇，丙酮，或乙醇、异丙醇和丙酮的水混合液；二、按硅烷偶联剂与硅的质量比为3～30％，将硅烷偶联剂加入到纳米硅悬浮液中，转速500～2000rpm，时间1～6h；或将硅烷偶联剂加入到有机溶剂中，用酸调节其pH值为4～6或用碱调节其pH值为8～10，转速500～2000rpm，时间1～6h，得到硅烷偶联剂溶液，然后按硅烷偶联剂与硅的质量比为3～30％，将硅烷偶联剂溶液加入到纳米硅悬浮液中，转速500～2000rpm，时间1～6h，得到改性纳米硅悬浮液；所述硅烷偶联剂是烷基硅烷偶联剂、氨基硅烷偶联剂、链烯基硅烷偶联剂、环氧烷基硅烷偶联剂和烷基丙烯酰氧基硅烷偶联剂中的一种以上；所述有机溶剂是乙醇，异丙醇，正丁醇或乙醇与纯水的混合液；三、碳包覆，将碳源前驱体溶于溶剂中形成碳源前驱体溶液或悬浮液，将碳源前驱体溶液或悬浮液加入到改性纳米硅悬浮液中，转速500～2000rpm，时间1～6h，其中碳源前驱体与硅的质量比为30～500％；随后将石墨添加到改性纳米硅悬浮液中，500～2000rpm，时间1～6h，其中石墨与硅的质量比为100～400％；干燥；所述碳源前驱体是酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、沥青、柠檬酸、葡萄糖、蔗糖和聚氯乙烯中的一种以上；所述溶剂是水、四氢呋喃、乙醇、甲醇、正丁醇、异丙醇、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯和醋酸丙酯中的一种以上；四、热处理，以1～8℃/min升温速度，至600～1000℃，恒温时间3～10h，炉内自然降温至室温，得到制备锂离子电池用硅碳合金负极材料。

本发明将热处理后的料进行粉碎，粉碎后粒径D50为10～35um。

本发明将粒度在50～500nm的纳米硅粉分散在有机溶液中，频率10～40KHz，功率密度1.2W/cm²，超声搅拌10～60min。

本发明的酸是有机酸或无机酸；有机酸是醋酸或丙烯酸；无机酸是盐酸、硝酸、硫酸和磷酸中的一种以上。

本发明的碱是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或碳酸氢钠溶液。

本发明的石墨是天然石墨或人造石墨。

本发明的热处理在保护气体气氛中进行，保护气体是氩气或氮气。

本发明的硅烷偶联剂与硅的质量比为5～25％。

本发明的硅烷偶联剂与硅的质量比为10～20％。

本发明的硅烷偶联剂是γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷或γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。

本发明与现有技术相比，加入硅烷偶联剂，提高了纳米硅颗粒在硅碳复合材料中的分散性，抑制硅在脱嵌锂过程中团聚造成的体积效应，从而提高硅碳复合负极材料的循环性能与比容量，容量大于500mAh/g，循环50次容量保持率在97％以上，制备成本低廉，工艺简单可控，并且可通过调节Si粉，石墨与有机物的质量比例，容易制备出不同容量的硅碳合金负极材料。

附图说明

图1是实施例1锂离子电池用硅碳合金负极材料的SEM图。

图2是实施例1锂离子电池用硅碳合金负极材料的剖面SEM图。

图3是实施例1锂离子电池用硅碳合金负极材料的XRD图。

图4是实施例1锂离子电池用硅碳合金负极材料的电池充放电曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明的制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，通过硅烷偶联剂对纳米硅颗粒进行表面改性，添加有机物与石墨，然后进行干燥包覆和高温碳化处理，制备出锂离子电池用硅碳合金负极材料。包括以下步骤：

一、纳米硅粉分散，将粒度D50在50～500nm的纳米硅粉，按纳米硅粉与有机溶液质量比5～25％，分散在有机溶液中，并在频率为10～40KHz，功率密度为1.2W/cm²的超声设备中，超声搅拌10～60min，形成均匀的纳米硅悬浮液。

所述有机溶液乙醇，异丙醇，丙酮，或乙醇、异丙醇和丙酮的水混合液。

二、纳米硅的改性，按硅烷偶联剂与硅的质量比为3～30％，将硅烷偶联剂加入到纳米硅悬浮液中搅拌反应，转速500～2000rpm，时间1～6h，得到改性纳米硅悬浮液；或将硅烷偶联剂加入到有机溶剂中，用酸调节其pH值为4～6或用碱调节其pH值为8～10，搅拌转速500～2000rpm，时间1～6h，得到硅烷偶联剂溶液，然后按硅烷偶联剂与硅的质量比为3～30％，将硅烷偶联剂溶液缓慢加入到纳米硅悬浮液中，转速500～2000rpm，时间1～6h，得到改性纳米硅悬浮液。硅烷偶联剂与硅的质量比较好为5～25％，进一步为10～20％。

所述硅烷偶联剂是烷基硅烷偶联剂、氨基硅烷偶联剂、链烯基硅烷偶联剂、环氧烷基硅烷偶联剂和烷基丙烯酰氧基硅烷偶联剂中的一种以上。

所述步骤二的有机溶剂是乙醇，异丙醇，正丁醇或乙醇与纯水的混合液。

所述酸是有机酸或无机酸；有机酸是醋酸或丙烯酸；无机酸是盐酸、硝酸、硫酸和磷酸中的一种以上。

所述碱是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或碳酸氢钠溶液。

三、碳包覆，将碳源前驱体溶于溶剂中形成碳源前驱体溶液或悬浮液，将碳源前驱体溶液或悬浮液缓慢加入到改性纳米硅悬浮液中搅拌，转速500～2000rpm，时间1～6h，其中碳源前驱体与硅的质量比为30～500％；随后将石墨添加到改性纳米硅悬浮液中，在室温下搅拌转速500～2000rpm，时间1～6h，其中石墨与硅的质量比为100～400％。再按现有技术对搅拌混合均匀的浆料进行干燥。

所述碳源前驱体是酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、沥青、柠檬酸、葡萄糖、蔗糖和聚氯乙烯中的一种以上。

所述溶剂是水、四氢呋喃、乙醇、甲醇、正丁醇、异丙醇、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯和醋酸丙酯中的一种以上。

所述石墨是天然石墨或人造石墨。

四、热处理，在保护气体气氛中对干燥后的浆料进行热处理，以1～8℃/min的升温速度，至600～1000℃，恒温时间3～10h，炉内自然降温至室温。

所述保护气体是热处理过程中不参与反应的气体，为氩气和/或氮气。

五、将热处理后的料进行粉碎，粉碎后粒径D50为10～35um。

本发明的方法制备的锂离子电池用硅碳合金负极材料，用日本日立公司的S4800型扫描电镜观察形貌和剖面，用荷兰帕拉科的X′PERT PRO型X射线衍射仪XRD观测结构。

硅烷偶联剂含有两类不同化学性质的官能团，其中一端和纳米硅粉结合，另一端和石墨表面或者有机碳源结合，从而使纳米硅与石墨或者有机碳源之间具有良好的结合力；另外硅颗粒表面存在偶联剂，颗粒之间具有空间位阻，提高了纳米硅颗粒在硅碳复合材料中的分散性，从而抑制硅在脱嵌锂过程中团聚造成的体积效应，提高循环性能与比容量。

实施例1，

一、把平均粒径为150nm的硅粉10克，添加到质量比9∶1的乙醇和水的混合溶液中，混合溶液的质量为40g；随后在频率为20KHz，功率密度为1.2W/cm²的超声设备中，超声搅拌30min，形成均匀的纳米硅悬浮液。

二、将KH550偶联剂γ-氨丙基三乙氧基硅烷2克缓慢滴入纳米硅悬浮液中，在转速为1000rpm的分散机中搅拌6h，得到改性纳米硅悬浮液。

三、将酚醛树脂6克溶于20g乙醇中，形成酚醛树脂溶液，并将该溶液缓慢加入改性纳米硅悬浮液中，以1000rpm的转速搅拌3h；然后将天然石墨40克加入，继续搅拌2h，得到分散混合均匀的浆料。对浆料进行干燥处理。

四、在氮气气氛保护下以3℃/min升温到800℃下恒温4h热处理。

五、将热处理后的原料进行粉碎并过200目筛，得到锂离子电池用硅碳合金负极材料。

如图1所示，粉碎后的平均粒径15um，最大粒径为45um。

如图2所示，硅颗粒均匀分散在有机碳源的裂解碳中，颗粒之间没有团聚。

如图3所示，图中具有尖锐的碳与硅的衍射峰，没有其他杂质峰。

采用实施例1制得的锂离子电池用硅碳合金负极材料作为负极材料，与粘结剂聚偏二氟乙烯PVDF、导电剂Super-P按照85∶10∶5的重量比混合，加入适量的N-甲基吡咯烷酮NMP作为分散剂调成浆料，涂覆在铜箔上，并经真空干燥、辊压，制备成负极片；正极采用锂片，使用1mol/L LiPF6的三组分混合溶剂EC∶DMC∶EMC＝1∶1∶1，v/v溶液为电解液，聚丙烯微孔膜为隔膜，组装成CR2016模拟电池。循环性能测试使用30mA的电流进行恒流充放电实验，充放电电压限制在0～1.5伏。采用武汉金诺电子有限公司LAND电池测试系统测试实施例1的材料制作的实验电池的电化学性能，在室温条件测试。

如图4和表格1所示，采用实施例1的材料制备的实验电池，容量大于520mAh/g，首次效率为84.8％，循环50周后容量保持率大于99％，具有很好的循环性能。

对比例1：不添加KH550偶联剂，按照与实施例1同样方法制备硅碳合金负极材料，并且按与实施例1相同的方法制作实验电池进行检测。

如表格1所示，对比例1的材料制备的实验电池，容量大于500mAh/g，首次效率为78.3％，循环50周后容量保持率为80.2％，循环性能较差。

实施例2，

一、把平均粒径在50nm的纳米硅粉10克，添加到200克乙醇溶液中，在频率为40KHz，功率密度为1.2W/cm²的超声设备中，超声10min，形成均匀的纳米硅悬浮液。

二、称取乙醇与纯水，按质量比9∶1混合，混合液质量为30g，加入KH570偶联剂γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷3克，加碳酸钠调节pH在8～10之间，在转速为500rpm的分散机中搅拌1h得到硅烷溶液。将硅烷溶液滴加到纳米硅悬浮液中，再以2000rpm的转速搅拌1h，得到改性纳米硅悬浮液。

三、将沥青5克溶于30g四氢呋喃中，形成沥青悬浮液，并将该悬浮液缓慢加入改性纳米硅悬浮液中，在转速为2000rpm的分散机中搅拌1h搅拌；然后将石墨35克加入继续搅拌6h，得到分散混合均匀的浆料。对浆料进行干燥。

四、在氮气保护下以8℃/min升温速度，到1000℃恒温10h热处理。

五、将热处理后的原料进行粉碎，并过200目筛。按与实施例1相同的方法制作实验电池。

实施例2的材料制备的实验电池，容量大于600mAh/g，首次效率为83.5％，循环50周后容量保持率大于98％，具有很好的循环性能。

对比例2：添加KH570偶联剂4g，按照与实施例2同样方法进行实验并且按与实施例1相同的方法制作实验电池。

如表格1所示，对比例2的材料制备的实验电池，容量大于590mAh/g，首次效率为79.6％，循环50周后容量保持率为84％，循环性能较差。

实施例3，

一、把平均粒径在500nm的纳米硅粉10克，添加到质量比9∶1的异丙醇和水的混合溶液中，混合溶液的质量为40克，在频率为10KHz，功率密度为1.2W/cm²的超声设备中，超声搅拌60min，形成均匀的纳米硅悬浮液。

二、称取乙醇与纯水，按质量比7∶3进行混合，混合液质量为3g，加入KH-560偶联剂γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷0.3克，加醋酸调节pH在4～6之间，在转速为500rpm的分散机中搅拌6h得到硅烷溶液。将硅烷溶液滴加到纳米硅悬浮液中，在分散机中以500rpm的速度搅拌6h，得到改性纳米硅悬浮液。

三、将50g柠檬酸溶于50g乙醇中，形成柠檬酸溶液，并将该溶液缓慢加入改性纳米硅悬浮液中，继续搅拌6h；然后添加石墨10克，以500rpm的速度搅拌6h搅拌，得到分散混合均匀的浆料。对浆料进行干燥后。

四、在氮气保护下以1℃/min升温到600℃恒温3h进行热处理。

用实施例3的材料制备的实验电池，容量大于650mAh/g，首次效率为82.2％，循环50周后容量保持率大于97％，具有较好的循环性能。

表1实施例1-3与对比例1-2的电化学性能

Claims

1.一种制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，包括以下步骤：一、将粒度在50～500nm的纳米硅粉，按纳米硅粉与有机溶液质量比5～25％，分散在有机溶液中，形成均匀的纳米硅悬浮液；所述有机溶液是乙醇，异丙醇，丙酮，或乙醇、异丙醇和丙酮的水混合液；二、按硅烷偶联剂与硅的质量比为3～30％，将硅烷偶联剂加入到纳米硅悬浮液中，转速500～2000rpm，时间1～6h；或将硅烷偶联剂加入到有机溶剂中，用酸调节其pH值为4～6或用碱调节其pH值为8～10，转速500～2000rpm，时间1～6h，得到硅烷偶联剂溶液，然后按硅烷偶联剂与硅的质量比为3～30％，将硅烷偶联剂溶液加入到纳米硅悬浮液中，转速500～2000rpm，时间1～6h，得到改性纳米硅悬浮液；所述硅烷偶联剂是烷基硅烷偶联剂、氨基硅烷偶联剂、链烯基硅烷偶联剂、环氧烷基硅烷偶联剂和烷基丙烯酰氧基硅烷偶联剂中的一种以上；所述有机溶剂是乙醇，异丙醇，正丁醇或乙醇与纯水的混合液；三、碳包覆，将碳源前驱体溶于溶剂中形成碳源前驱体溶液或悬浮液，将碳源前驱体溶液或悬浮液加入到改性纳米硅悬浮液中，转速500～2000rpm，时间1～6h，其中碳源前驱体与硅的质量比为30～500％；随后将石墨添加到改性纳米硅悬浮液中，500～2000rpm，时间1～6h，其中石墨与硅的质量比为100～400％；干燥；所述碳源前驱体是酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂、沥青、柠檬酸、葡萄糖、蔗糖和聚氯乙烯中的一种以上；所述溶剂是水、四氢呋喃、乙醇、甲醇、正丁醇、异丙醇、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、甲基丁酮、甲基异丁酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯和醋酸丙酯中的一种以上；四、热处理，以1～8℃/min升温速度，至600～1000℃，恒温时间3～10h，炉内自然降温至室温，得到制备锂离子电池用硅碳合金负极材料。

2.根据权利要求1所述的制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，其特征在于：将热处理后的料进行粉碎，粉碎后粒径D50为10～35um。

3.根据权利要求1或2所述的制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，其特征在于：所述将粒度在50～500nm的纳米硅粉分散在有机溶液中，频率10～40KHz，功率密度1.2W/cm²，超声搅拌10～60min。

4.根据权利要求3所述的制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，其特征在于：所述酸是有机酸或无机酸；有机酸是醋酸或丙烯酸；无机酸是盐酸、硝酸、硫酸和磷酸中的一种以上。

5.根据权利要求4所述的制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，其特征在于：所述碱是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或碳酸氢钠溶液。

6.根据权利要求5所述的制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，其特征在于：所述石墨是天然石墨或人造石墨。

7.根据权利要求6所述的制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，其特征在于：所述热处理在保护气体气氛中进行，保护气体是氩气或氮气。

8.根据权利要求7所述的制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂与硅的质量比为5～25％。

9.根据权利要求8所述的制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂与硅的质量比为10～20％。

10.根据权利要求9所述的制备锂离子电池用硅碳合金负极材料的方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂是γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷或γ-(2，3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷。