CN104701501A - 锂离子电池负极材料及其制备方法、锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池负极材料及其制备方法、锂离子电池，该锂离子电池负极材料的结构为在一氧化硅歧化反应后得到的混合物外镀有铜，所述混合物中包括硅和二氧化硅，硅分布在二氧化硅基体中。一氧化硅歧化反应后得到的混合物主要包括硅和二氧化硅的复合材料，且该硅和二氧化硅的复合材料为锂离子电池负极材料的基体材料，以二氧化硅作为骨架可以缓解硅的体积膨胀。在锂离子负极材料中，硅和二氧化硅基体材料与其外的镀铜层构成的导电网络接触紧密，克服了二氧化硅导电性差的缺点，从而增强了整个负极材料的导电性，进而提高了负极材料的电化学性能，提高使用该负极材料的电池的循环性能，且铜的价格便宜，降低了负极材料的成本。

Description

锂离子电池负极材料及其制备方法、锂离子电池
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、锂离子电池。
背景技术
目前，生产使用的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，但石墨的理论嵌锂容量为372mAh/g，实际已达到370mAh/g，因此，石墨类负极材料在容量上几乎已无提升空间。
近十几年，各种新型的高容量和高倍率负极材料被开发出来，其中硅基材料由于其高的质量比容量（硅的理论比容量为4200mAh/g）而成为研究热点，然而这种材料在嵌脱锂过程中伴随着严重的体积膨胀与收缩，导致电极上的电活性物质粉化脱落，最终导致容量衰减。为了克服硅基负极材料的比容量衰减，一般是将硅与其他非活性的金属（如Fe、Al、Cu等）形成合金，如中国专利CN03116070.0公开了锂离子电池负极用硅铝合金/碳复合材料及其制备方法；或将材料均匀分散到其他活性或非活性材料中形成复合材料（如Si-C、Si-TiN等），如中国专利CN02112180.X公开了锂离子电池负极用高比容量的硅碳复合材料及制备方法。更加常用的方法，是在纳米硅颗粒的表面包覆一层无定形碳，如CN200910027938.1公开一种半流态沥青包覆纳米硅和石墨的复合负极材料；CN200910037666.3公开了一种沥青包覆纳米硅的复合负极材料的制备方法。
上述方法虽然对于硅负极材料做了一定的改性，但是上述硅负极材料电化学性能仍不理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种锂离子电池负极材料及其制备方法、锂离子电池，在锂离子负极材料中，硅和二氧化硅基体材料与其外的镀铜层构成的导电网络接触紧密，克服了二氧化硅导电性差的缺点，从而增强了整个负极材料的导电性，进而提高了负极材料的电化学性能。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种锂离子电池负极材料，其结构为在一氧化硅歧化反应后得到的混合物外镀有铜，所述混合物中包括硅和二氧化硅，硅分布在二氧化硅基体中。
优选的是，所述硅占所述混合物质量的5～33%，所述二氧化硅占所述混合物质量的10～67%。
优选的是，所述一氧化硅的粒径为100～800目，所述硅的粒径为1～30nm。
优选的是，所述铜占所述混合物与所述铜的质量和的1～20%。
优选的是，所述的锂离子电池负极材料的制备方法包括以下步骤：
（1）一氧化硅发生歧化反应，得到混合物；
（2）在所述混合物外镀铜，得到锂离子电池负极材料。
优选的是，所述步骤（1）与所述步骤（2）之间还包括步骤（i）：将步骤（1）所述混合物磨成粒径为0.1～10μm的颗粒。
优选的是，所述步骤（1）中所述一氧化硅歧化反应的温度为650～1100℃，所述歧化反应的时间为0.5～24小时。
优选的是，所述步骤（1）中所述一氧化硅歧化反应的温度为750～1000℃，所述歧化反应的时间为1～6小时。
优选的是，所述步骤（2）在所述混合物外镀铜的具体方法为：将步骤（1）得到的所述混合物加入到含有铜离子的氢氟酸的水溶液中，反应0.5～4小时，其中，氢氟酸的质量浓度为5～20%，所述铜离子的质量浓度为0.5～5%。
优选的是，步骤（2）中的所述铜离子与步骤（1）中的所述一氧化硅的质量比为（1:100）～（25:100）。
本发明还提供一种锂离子电池，其负极包括上述的锂离子电池负极材料。
本发明中的锂离子电池负极材料的结构为在一氧化硅歧化反应后得到的混合物外镀有铜，一氧化硅歧化反应后得到的混合物主要包括硅和二氧化硅的复合材料，且该硅和二氧化硅的复合材料为锂离子电池负极材料的基体材料，以二氧化硅作为骨架可以缓解硅的体积膨胀。在锂离子负极材料中，硅和二氧化硅基体材料与其外的镀铜层构成的导电网络接触紧密，克服了二氧化硅导电性差的缺点，从而增强了整个负极材料的导电性，进而提高了负极材料的电化学性能，提高了使用该负极材料的电池的循环性能，且铜的价格便宜，降低了负极材料的成本。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的锂离子电池负极材料的充放电循环性能测试图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1
本实施例提供一种锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一氧化硅粉体（粒径为300目）放在坩埚中，并放入气氛炉中，在氩气气氛的保护下升温到750℃，在该温度下加热6小时，一氧化硅发生歧化反应生成硅和二氧化硅的复合材料，由于一氧化硅经过高温灼烧后会发生团聚，所以最终得到的混合物的粒径较大，该混合物中包括部分未反应的一氧化硅以及硅和二氧化硅的复合材料。在硅和二氧化硅的复合材料中，硅分布在二氧化硅基体中，且所述硅的粒径为纳米级1nm，硅约占第一混合物质量的5%，二氧化硅约占第一混合物质量的11%。
（2）将混合物加入球磨罐中，再加入4倍于混合物的重量的球磨珠（大、小球磨珠按照1:1比例加入）。将球磨罐置于行星式球磨机上，在300转/分钟的转速下将混合物球磨12小时，将该混合物球磨成粒径为0.1μm的颗粒。
（3）将步骤（1）得到的所述混合物加入到含有铜离子的氢氟酸的水溶液中，步骤（2）中的所述铜离子与步骤（1）中的所述一氧化硅的质量比为1:100，反应3.5小时，此时PH值稳定在3，过滤、洗涤、干燥，在混合物外镀上铜，得到锂离子电池负极材料，其中，氢氟酸的质量浓度为10%，所述铜离子的质量浓度为5%，最终得到的锂离子负极材料由铜和混合物组成，混合物中包括硅和二氧化硅，硅分布在二氧化硅基体中，铜占锂离子负极材料质量的5%。
将所得锂离子电池负极材料分别与导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF按照质量比80∶10∶10混合，用NMP（1-甲基-2-吡咯烷酮）将此混合物调制成浆料，均匀涂覆在铜箔上，100℃真空干燥24小时，制得实验电池用极片。以锂片为对电极，电解液为1mol/L的LiPF6溶液，溶剂为EC（乙基碳酸酯）+DMC（二甲基碳酸酯）（体积比1∶1），隔膜为celgard2400膜，在充满氩气气氛的手套箱内装配成CR2025型扣式电池。
如图1所示，本实施例制备的锂离子电池负极材料做成的扣式电池的充放电循环性能测试：首次放电比容量为1426mAh/g，循环100次后放电比容量为885mAh/g。
本实施例提供一种锂离子电池，其负极包括上述的锂离子电池负极材料。
本实施例中的锂离子电池负极材料的结构为在一氧化硅歧化反应后得到的混合物外镀有铜，一氧化硅歧化反应后得到的混合物主要包括硅和二氧化硅的复合材料，且该硅和二氧化硅的复合材料为锂离子电池负极材料的基体材料，以二氧化硅作为骨架可以缓解硅的体积膨胀。在锂离子负极材料中，硅和二氧化硅基体材料与其外的镀铜层构成的导电网络接触紧密，克服了二氧化硅导电性差的缺点，从而增强了整个负极材料的导电性，进而提高了负极材料的电化学性能，提高了使用该负极材料的电池的循环性能，且铜的价格便宜，降低了负极材料的成本。
实施例2
本实施例提供一种锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一氧化硅粉体（粒径为100目）放在坩埚中，并放入气氛炉中，在氩气气氛的保护下升温到950℃，在该温度下加热3小时，一氧化硅发生歧化反应生成硅和二氧化硅的复合材料，由于一氧化硅经过高温灼烧后会发生团聚，所以最终得到的混合物的粒径较大，该混合物中包括部分未反应的一氧化硅以及硅和二氧化硅的复合材料。在硅和二氧化硅的复合材料中，硅分布在二氧化硅基体中，且所述硅的粒径为纳米级3nm，硅约占第一混合物质量的16%，二氧化硅约占第一混合物质量的33%。
（2）将混合物加入球磨罐中，再加入4倍于混合物的重量的球磨珠（大、小球磨珠按照1:1比例加入）。将球磨罐置于行星式球磨机上，在300转/分钟的转速下将混合物球磨12小时，将该混合物球磨成粒径为1μm的颗粒。
（3）将步骤（1）得到的所述混合物加入到含有铜离子的氢氟酸的水溶液中，步骤（2）中的所述铜离子与步骤（1）中的所述一氧化硅的质量比为10:100，反应3小时，此时PH值稳定在3.5，过滤、洗涤、干燥，在混合物外镀上铜，得到锂离子电池负极材料，其中，氢氟酸的质量浓度为5%，所述铜离子的质量浓度为2%，最终得到的锂离子负极材料由铜和混合物组成，混合物中包括硅和二氧化硅，硅分布在二氧化硅基体中，铜占锂离子负极材料质量的1%。
按照实施例1中制备扣式电池的方法制成扣式电池，并对该电池进行充放电循环性能测试：首次放电比容量为1386mAh/g，首次效率为76.5%，循环20次以后充放电效率大于99%，循环100次后放电比容量为850mAh/g。
本实施例提供一种锂离子电池，其负极包括上述的锂离子电池负极材料。
实施例3
本实施例提供一种锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一氧化硅粉体（粒径为400目）放在坩埚中，并放入气氛炉中，在氩气气氛的保护下升温到1000℃，在该温度下加热1小时，一氧化硅发生歧化反应生成硅和二氧化硅的复合材料，由于一氧化硅经过高温灼烧后会发生团聚，所以最终得到的混合物的粒径较大，该混合物中包括部分未反应的一氧化硅以及硅和二氧化硅的复合材料。在硅和二氧化硅的复合材料中，硅分布在二氧化硅基体中，且所述硅的粒径为纳米级10nm，硅约占第一混合物质量的23%，二氧化硅约占第一混合物质量的48%。
（2）将混合物加入球磨罐中，再加入4倍于混合物的重量的球磨珠（大、小球磨珠按照1:1比例加入）。将球磨罐置于行星式球磨机上，在300转/分钟的转速下将混合物球磨12小时，将该混合物球磨成粒径为5μm的颗粒。
（3）将步骤（1）得到的所述混合物加入到含有铜离子的氢氟酸的水溶液中，步骤（2）中的所述铜离子与步骤（1）中的所述一氧化硅的质量比为20:100，反应4小时，此时PH值稳定在4，过滤、洗涤、干燥，在混合物外镀上铜，得到锂离子电池负极材料，其中，氢氟酸的质量浓度为15%，所述铜离子的质量浓度为0.5%，最终得到的锂离子负极材料由铜和混合物组成，混合物包括硅和二氧化硅，硅分布在二氧化硅基体中，铜占锂离子负极材料质量的10%。
按照实施例1中制备扣式电池的方法制成扣式电池，并对该电池进行充放电循环性能测试：首次放电比容量为1295mAh/g，循环100次后放电比容量为845mAh/g。
本实施例提供一种锂离子电池，其负极包括上述的锂离子电池负极材料。
实施例4
本实施例提供一种锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一氧化硅粉体（粒径为800目）放在坩埚中，并放入气氛炉中，在氩气气氛的保护下升温到650℃，在该温度下加热24小时，一氧化硅发生歧化反应生成硅和二氧化硅的复合材料，由于一氧化硅经过高温灼烧后会发生团聚，所以最终得到的混合物的粒径较大，该混合物中包括部分未反应的一氧化硅以及硅和二氧化硅的复合材料。在硅和二氧化硅的复合材料中，硅分布在二氧化硅基体中，且所述硅的粒径为纳米级1nm，硅约占第一混合物质量的6%，二氧化硅约占第一混合物质量的13%。
（2）将混合物加入球磨罐中，再加入4倍于混合物的重量的球磨珠（大、小球磨珠按照1:1比例加入）。将球磨罐置于行星式球磨机上，在300转/分钟的转速下将混合物球磨12小时，将该混合物球磨成粒径为2μm的颗粒。
（3）将步骤（1）得到的所述混合物加入到含有铜离子的氢氟酸的水溶液中，步骤（2）中的所述铜离子与步骤（1）中的所述一氧化硅的质量比为25:100，反应0.5小时，此时PH值稳定在3，过滤、洗涤、干燥，在混合物外镀上铜，得到锂离子电池负极材料，其中，氢氟酸的质量浓度为20%，所述铜离子的质量浓度为3%，最终得到的锂离子负极材料由铜和混合物组成，混合物中包括硅和二氧化硅，硅分布在二氧化硅基体中，铜占锂离子负极材料质量的20%。
本实施例提供一种锂离子电池，其负极包括上述的锂离子电池负极材料。
实施例5
本实施例提供一种锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将一氧化硅粉体（粒径为500目）放在坩埚中，并放入气氛炉中，在氩气气氛的保护下升温到1100℃，在该温度下加热0.5小时，一氧化硅发生歧化反应生成硅和二氧化硅的复合材料，由于一氧化硅经过高温灼烧后会发生团聚，所以最终得到的混合物的粒径较大，该混合物中包括部分未反应的一氧化硅以及硅和二氧化硅的复合材料。在硅和二氧化硅的复合材料中，硅分布在二氧化硅基体中，且所述硅的粒径为纳米级25nm，硅约占第一混合物质量的28%，二氧化硅约占第一混合物质量的58%。
（2）将混合物加入球磨罐中，再加入4倍于混合物的重量的球磨珠（大、小球磨珠按照1:1比例加入）。将球磨罐置于行星式球磨机上，在300转/分钟的转速下将混合物球磨12小时，将该混合物球磨成粒径为10μm的颗粒。
（3）将步骤（1）得到的所述混合物加入到含有铜离子的氢氟酸的水溶液中，步骤（2）中的所述铜离子与步骤（1）中的所述一氧化硅的质量比为15:100，反应2小时，此时PH值稳定在4，过滤、洗涤、干燥，在混合物外镀上铜，得到锂离子电池负极材料，其中，氢氟酸的质量浓度为8%，所述铜离子的质量浓度为4%，最终得到的锂离子负极材料由铜和混合物组成，混合物中包括硅和二氧化硅，硅分布在二氧化硅基体中，铜占锂离子负极材料质量的15%。
本实施例提供一种锂离子电池，其负极包括上述的锂离子电池负极材料。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于，其结构为在一氧化硅歧化反应后得到的混合物外镀有铜，所述混合物中包括硅和二氧化硅，硅分布在二氧化硅基体中。 
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述硅占所述混合物质量的25～33%，所述二氧化硅占所述混合物质量的50～67%。 
3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述一氧化硅的粒径为100～800目，所述硅的粒径为1～50nm。 
4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，所述铜占所述混合物与所述铜的质量和的1～20%。 
5.一种权利要求1～4任意一项所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： 
（1）一氧化硅发生歧化反应，得到混合物； 
（2）在所述混合物外镀铜，得到锂离子电池负极材料。 
6.根据权利要求5所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）与所述步骤（2）之间还包括步骤（i）：将步骤（1）所述混合物磨成粒径为0.1～10μm的颗粒。 
7.根据权利要求5所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中所述一氧化硅歧化反应的温度为650～1100℃，所述歧化反应的时间为0.5～24小时。 
8.根据权利要求5所述的锂离子电池负极材料的制备方法， 其特征在于，所述步骤（2）在所述混合物外镀铜的具体方法为：将步骤（1）得到的所述混合物加入到含有铜离子的氢氟酸的水溶液中，反应0.5～4小时，其中，氢氟酸的质量浓度为5～20%，所述铜离子的质量浓度为0.5～5%。 
9.根据权利要求8所述的锂离子电池负极材料，其特征在于，步骤（2）中的所述铜离子与步骤（1）中的所述一氧化硅的质量比为（1:100）～（25:100）。 
10.一种锂离子电池，其特征在于，其负极包括权利要求1～4任意一项所述的锂离子电池负极材料。 
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