CN104022273B - 一种高容量锂电池负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高容量锂电池负极材料，其特征在于：包含Si、CNT和无形碳；其中Si含量为15~35%，CNT含量为2~6%，C含量为59~80%。制备步骤如下：将59~80%的有机高分子、2~6%的CNT和15~35%直径为30~200nm的Si粉配置成质量分数为15~40%的前驱体溶液；将前驱体溶液静电纺丝装置的针头注射器中进行静电纺丝，所得纺丝前驱体置于马弗炉中，加热并随炉冷却后得预氧化前驱体；将预氧化前驱体置于具有惰性气体保护的管式炉中，烧结3~7小时后随炉冷却，即可得Si/CNT/C复合材料。其制备出的Si/CNT/C复合材料具有纤维状结构，Si颗粒均匀地分布在C纤维上，CNT沿轴向将C纤维与Si粒子有效地连接，提高了材料的电子导电率和电化学性能。

Description

一种高容量锂电池负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高容量锂电池负极材料及其制备方法，属于锂离子电池材料技术领域。
背景技术
锂离子电池是一种非常常见的储能装置，在我们的日常生活中随处可见。构成锂电池的主要组成报告，正极材料、负极材料、电解液、隔膜材料。其中，正、负极材料决定着电池的能量密度和循环寿命，电解液和隔膜决定着电池的安全性能。对于未来的锂电池，人们希望它能够拥有更高的能量密度和安全性能，这样才能够大规模的应用，包括未来的电动汽车，储能电站等等。
传统的负极材料大多使用石墨类材料，该材料实际放电电压为0.2V左右，放电容量为300mAh/g左右，这个容量是远远不能够满足未来锂电池的需求的。近些年来，Si材料引起了人们的广泛重视，该材料的理论容量可达2000mAh/g以上，是石墨的五倍多，且放电平台与之相当，具有非常好的应用前景。但是，Si材料由于本身结构的原因，在充放电过程中存在巨大的体积改变，导致用其作为负极的锂离子电池使用过程中容易发生安全事故。
针对Si体积膨胀和粉化问题的主要解决办法是制备Si/C复合材料，利用C作为Si的缓冲空间，有效缓解了Si的安全性问题。但传统制备Si/C负极材料的方法多采用溶胶-凝胶法，即将有机高分子与Si粉简单混合后，在惰性气体下进行烧结，这样有机高分子可以生成C材料，进而实现制备Si/C复合材料的目的。但该方法存在的缺点是：溶胶-凝胶法通常不利于工业化生产，且重复性较差；有机高分子烧结产生的C通常为无定形形式，电导率较低；材料通常具有较大颗粒，且团聚现象明显，不利于提高材料的功率密度。
针对上述问题，本专利提供了一种新型的Si/CNT/C复合材料，即在传统Si/C材料中添加具有较小尺寸的碳纳米管（CNT），来提高材料的整体性能。且该材料的制备方法是一种制备纳米材料常用的方法：静电纺丝法，通过该方法制备出的Si/CNT/C复合材料具有纤维状结构，Si颗粒均匀地分布在C纤维上，CNT沿轴向将C纤维与Si粒子有效地连接，提高了材料的电子导电率和电化学性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高容量锂电池负极材料及其制备方法，其制备出的Si/CNT/C复合材料具有纤维状结构，Si颗粒均匀地分布在C纤维上，CNT沿轴向将C纤维与Si粒子有效地连接，提高了材料的电子导电率和电化学性能。
本发明的技术方案是这样实现的：一种高容量锂电池负极材料，其特征在于：包含Si、CNT和无形碳；其中Si含量为15~35%，CNT含量为2~6%，C含量为59~80%。
一种高容量锂电池负极材料的制备方法，其特征在于制备步骤如下：
a）将59~80%的有机高分子、2~6%的CNT和15~35%直径为30~200nm的Si粉溶于适当的有机溶剂中，配置成质量分数为15~40%的前驱体溶液；
b）将前驱体溶液静电纺丝装置的针头注射器中进行静电纺丝，针头孔径0.5~0.8mm，纺丝电压15~22kV，接收距离15~20cm，湿度25~40%，温度20~35oC；
c）步骤b）所得纺丝前驱体置于马弗炉中，从室温以3~8oC/min的升温速率升温至200~300oC，然后再以1~3oC/min的升温速率升温至360~400oC，随炉冷却后得预氧化前驱体；
d）将预氧化前驱体置于具有惰性气体保护的管式炉中，以5~10oC/min的升温速率升温至550~700oC，烧结3~7小时后随炉冷却，即可得Si/CNT/C复合材料。
步骤a）中所述有机高分子包括聚苯胺（PAN）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP），所述有机溶剂包括无水乙醇、丙酮和二甲基甲酰胺（DMF）；步骤d）中所述惰性气体包括氩气、氮气以及二者的混合气。
本发明的积极效果是在传统Si/C材料中添加具有较小尺寸的碳纳米管，来提高材料的整体性能，且制备方法方法为静电纺丝法，通过该方法制备出的Si/CNT/C复合材料具有纤维状结构，Si颗粒均匀地分布在C纤维上，CNT沿轴向将C纤维与Si粒子有效地连接，提高了材料的电子导电率和电化学性能。
附图说明
图1是本发明实例1所制备的Si/CNT/C复合材料预氧化前驱体纤维的SEM图谱。
图2是本发明实例1制备的Si/CNT/C复合材料的模拟电池EIS图谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述：
实施例1
如图1-2所示，将80%的PAN、2%的CNT和18%直径为200nm的Si粉溶于适当的DMF，配置成质量分数为40%的前驱体溶液；前驱体溶液静电纺丝装置的针头注射器中进行静电纺丝，针头孔径0.8mm，纺丝电压22kV，接收距离20cm，湿度25~40%，温度20oC；所得纺丝前驱体置于马弗炉中，从室温以8oC/min的升温速率升温至300oC，然后再以3oC/min的升温速率升温至400oC，随炉冷却后得预氧化前驱体；将预氧化前驱体置于具有氮气气体保护的管式炉中，以10oC/min的升温速率升温至700oC，烧结3小时后随炉冷却，即可得Si/CNT/C复合材料。
实施例2
将59%的PVP、6%的CNT和35%直径为60nm的Si粉溶于适当的丙酮中，配置成质量分数为15%的前驱体溶液；前驱体溶液静电纺丝装置的针头注射器中进行静电纺丝，针头孔径0.5mm，纺丝电压15kV，接收距离16cm，湿度25~40%，温度35oC；所得纺丝前驱体置于马弗炉中，从室温以5oC/min的升温速率升温至250oC，然后再以1oC/min的升温速率升温至360oC，随炉冷却后得预氧化前驱体；将预氧化前驱体置于具有氩气气体保护的管式炉中，以6oC/min的升温速率升温至550oC，烧结7小时后随炉冷却，即可得Si/CNT/C复合材料。
实施例3
将67%的PVP、4%的CNT和29%直径为30nm的Si粉溶于适当的乙醇溶液中，配置成质量分数为30%的前驱体溶液；前驱体溶液静电纺丝装置的针头注射器中进行静电纺丝，针头孔径0.7mm，纺丝电压19kV，接收距离15cm，湿度25~40%，温度40oC；所得纺丝前驱体置于马弗炉中，从室温以3oC/min的升温速率升温至200oC，然后再以1oC/min的升温速率升温至400oC，随炉冷却后得预氧化前驱体；将预氧化前驱体置于具有氩气和氮气混合气体保护的管式炉中，以5oC/min的升温速率升温至650oC，烧结6小时后随炉冷却，即可得Si/CNT/C复合材料。

Claims (2)

1.一种高容量锂电池负极材料的制备方法，其特征在于制备步骤如下：
a）将59~80%的有机高分子、2~6%的CNT和15~35%直径为30~200nm的Si粉溶于适当的有机溶剂中，配置成质量分数为15~40%的前驱体溶液；
b）将前驱体溶液静电纺丝装置的针头注射器中进行静电纺丝，针头孔径0.5~0.8mm，纺丝电压15~22kV，接收距离15~20cm，湿度25~40%，温度20~35℃；
c）将步骤b）所得纺丝前驱体置于马弗炉中，从室温以3~8℃/min的升温速率升温至200~300℃，然后再以1~3℃/min的升温速率升温至360~400℃，随炉冷却后得预氧化前驱体；
d）将预氧化前驱体置于具有惰性气体保护的管式炉中，以5~10℃/min的升温速率升温至550~700℃，烧结3~7小时后随炉冷却，即可得Si/CNT/C复合材料。
2.根据权利要求1所述一种高容量锂电池负极材料的制备方法，其特征在于所述步骤a）中的有机高分子包括聚苯胺（PAN）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP），所述有机溶剂包括无水乙醇、丙酮和二甲基甲酰胺（DMF）；步骤d）中的惰性气体包括氩气、氮气以及二者的混合气。
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