CN102623682A - 一种锂离子电池负极硅基碳复合材料的制备方法 - Google Patents

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张磊
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Abstract

一种锂离子电池负极硅基复合材料的制备方法，以Si粉为主料，以石墨粉或絮状炭黑为辅料，将主料与辅料混合后放入钢质球磨罐中，以氩气作为保护气，将充有保护气的球磨罐置于行星式球磨机中，在转速为500转/分下球磨80小时，制得粒度小于20μm的粉末即为锂离子电池负极硅基复合材料。本发明的优点是：将具有良好储锂能力的硅材料与具有良好导电性的碳材料混合，通过机械合金化方式使其达到原子级别的混合，充分提高基体Si的导电性；惰性的碳材料在充放电过程中，可以减小Si材料中嵌锂和脱锂过程带来的体积膨胀，从而提高Si材料的循环性能，进行碳掺杂后材料的导电性能和循环性能好于纯硅材料。

Description

一种锂离子电池负极硅基碳复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池负极材料制备技术，特别是一种锂离子电池负极硅基碳复合材料的制备方法。
背景技术
锂离子电池是继铅酸电池、镍镉电池以及镍氢电池之后新一代二次电池。在全球面临石油资源的持续紧缺和环境不断恶化的今天，锂离子电池由于具有容量高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应、无环境污染和安全性能好等优点，已经成为高新技术发展的重点之一，被认为是高容量、大功率电池的理想之选，是21世纪的环保电源。可充电锂离子电池自1990年开始商业化以来，其应用范围被不断拓展，从移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备领域到电动汽车以及未来的航空航天、人造卫星等诸多领域都将得到广泛应用。目前，人们已经开始致力于研究新型的可充电锂离子电池，可供混合动力电动汽车、可充电混合动力车和纯电动车辆等交通工具使用，从而减少对石油的依赖和缓解空气污染。要满足这种应用，锂离子电池须具备高的功率密度、高的能量密度和好的循环性能。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，是锂离子储能器件发展的关键。目前商用锂离子电池负极材料主要为石墨材料，石墨具有层状结构，在充放电过程中体积膨胀小、不容易出现材料的粉化，但是石墨的理论处理容量较小，只有400mAh/g。硅由于具有最大的理论处理容量4200mAh/g而受到广泛的关注，但是由于密堆积结构，硅在充放电过程中体积膨胀大、材料粉化严重，此外纳米硅和薄膜硅制作成本高，这些都制约着其在锂离子电池中的应用。
发明内容
本发明的目的是正对上述存在问题，提供一种比容量高、循环性能好且制作成本低的锂离子电池负极硅基复合材料的制备方法，由于采用硅作为处理主体其首次放电比容量远高于碳材料，进行碳掺杂后材料的导电性能好于纯硅材料而且循环性能好于纯硅材料。
本发明的技术方案：
一种锂离子电池负极硅基复合材料的制备方法，以Si粉为主料，以石墨粉或絮状炭黑为辅料，将主料与辅料混合后放入钢质球磨罐中，将钢质球磨罐抽真空并用氩气置换重复三次后再充入氩气作为保护气，将充有保护气的球磨罐置于行星式球磨机中，磨球直径为15-5mm，在转速为500转/分下球磨80小时，制得粒度小于20μm的粉末即为锂离子电池负极硅基复合材料。
所述Si粉、石墨粉或絮状炭黑的粒度小于20μm。
所述Si粉与石墨粉或Si粉与絮状炭黑的质量比为95∶5。
本发明的优越性在于：将具有良好储锂能力的硅材料与具有良好导电性的碳材料，如碳黑、石墨相混合，通过机械合金化方式使其达到原子级别的混合，充分提高基体Si的导电性。惰性的碳材料在充放电过程中，可以减小Si材料中嵌锂和脱锂过程带来的体积膨胀，从而提高Si材料的循环性能。由于硅作为处理主体其首次放电比容量远高于碳材料，进行碳掺杂后材料的导电性能好于纯硅材料而且循环性能好于纯硅材料。
附图说明
图1实施例1、实施例2的粒径分布图。
图2实施例1、实施例2的XRD图。
图3实施例1、实施例2的首次放电曲线图。
图4实施例1、实施例2的0.05C循环曲线图。
具体实施方式
以下通过实施例讲述本发明的详细过程，提供实施例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。
实施例1：
一种锂离子电池负极硅基复合材料的制备方法，以Si粉为主料，以石墨粉为辅料，Si粉和石墨粉的粒度均小于20μm，将Si粉与石墨粉按质量比为95∶5混合后放入钢质球磨罐中，将钢质球磨罐抽真空并用氩气置换重复三次后再充入氩气作为保护气，将充有保护气的球磨罐置于行星式球磨机中，磨球直径为15-5mm，在转速为500转/分下球磨80小时，制得粒度小于20μm的粉末即为锂离子电池负极硅基复合材料，粒径分布如图1所示。
图2为实施例1的X射线衍射图。从图中可以看到，经过高能球磨处理后，晶体Si的衍射强度下降，衍射峰宽化。显示其中Si出现了非晶特征。将所得粉末制成活性材料，组装成2032扣式电池进行测试，测试结果如图3、图4所示：首次充电为1000mAh/g，首次放电为700mAh/g，首次效率为70％，50次循环保持率为5％。
实施例2：
一种锂离子电池负极硅基复合材料的制备方法，以Si粉为主料，以絮状炭黑为辅料，Si粉和絮状炭黑的粒度均小于20μm，将Si粉与絮状炭黑按质量比为95∶5混合后放入钢质球磨罐中，将钢质球磨罐抽真空并用氩气置换重复三次后再充入氩气作为保护气，将充有保护气的球磨罐置于行星式球磨机中，磨球直径为15-5mm，在转速为500转/分下球磨80小时，制得粒度小于20μm的粉末即为锂离子电池负极硅基复合材料，粒径分布如图1所示。
图2为实施例2的X射线衍射图。从图中可以看到，经过高能球磨处理后，晶体Si的衍射强度下降，衍射峰宽化。显示其中Si出现了非晶特征。将所得粉末制成活性材料，组装成2032扣式电池进行测试，测试结果如图3、图4所示：首次充电为2000mAh/g，首次放电为1400mAh/g，首次效率为70％，50次循环保持率为20％。

Claims (3)

1.一种锂离子电池负极硅基复合材料的制备方法，其特征在于：以Si粉为主料，以石墨粉或絮状炭黑为辅料，将主料与辅料混合后放入钢质球磨罐中，将钢质球磨罐抽真空并用氩气置换重复三次后再充入氩气作为保护气，将充有保护气的球磨罐置于行星式球磨机中，磨球直径为15-5mm，在转速为500转/分下球磨80小时，制得粒度小于20μm的粉末即为锂离子电池负极硅基复合材料。
2.根据权利要求1所述锂离子电池负极硅基复合材料的制备方法，其特征在于：所述Si粉、石墨粉或絮状炭黑的粒度小于20μn。
3.根据权利要求1所述锂离子电池负极硅基复合材料的制备方法，其特征在于：所述Si粉与石墨粉或Si粉与絮状炭黑的质量比为95∶5。
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