CN108400307A - 苹果状嵌入式硅碳负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种苹果状嵌入式硅碳负极材料及其制备方法，该硅碳负极材料从内向外依次为芯部、中间部和外层；芯部为微米级的碳包覆硅碳材料，中间部为微米级的石墨材料，外层为亚微米级的碳包覆硅碳材料；中间部呈边缘倒圆角的圆筒状，芯部填充在中间部内，且在中间部的两端形成凹陷；外层包覆在中间部的表面。制备方法为：将石墨通过压力式喷雾干燥、碳化等手段得到空心苹果形石墨材料，然后在空心结构内部填充硅碳复合材料，同时外表面包覆硅碳复合材料；而后通过高温碳化得到目标产品。该材料中的碳包覆硅碳材料提高了产品的比容量，中间部的石墨不仅可以提高硅碳材料的导电性，而且可以限制硅的体积膨胀。

Description

苹果状嵌入式硅碳负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子二次电池负极材料领域，尤其涉及一种苹果状嵌入式硅碳负极材料及其制备方法。
背景技术
动力电池是新能源汽车的核心部分，其中锂离子电池在成本、能量密度方面具有明显优势，将能够大幅度提升新能源汽车经济性和使用的便利性，锂离子电池体系中正极材料是决定性因素。新能源汽车应全部或部分采用电力驱动，与传统燃油汽车相比，能够减少燃料消耗，但是目前新能源汽车在全生命周期内燃料消耗节省的费用尚不能抵消所增加的成本。若纯电动汽车续航里程达到400公里，在电池系统成本降低至1.0元/Wh以下的条件下，全生命周期内的经济性能够接近传统燃油汽车。提升新能源汽车的使用便利性，增加纯电驱动行驶的续航里程是关键。为增加续航里程，必须增加搭载动力电池系统存储的能量，在不显著增加新能源汽车重量和体积的前提下，必须提高动力电池的比能量和能量密度。若纯电动汽车续航里程达到400公里，动力电池系统比能量需要提升至250Wh/kg左右，单体电池比能量需提升到350Wh/kg。
为了提高动力电池比能量密度，最有效的手段是提高正负极材料的比容量。硅材料的理论比容量为4200mAh/g，是石墨类负极的10倍以上，为350Wh/kg及以上锂离子动力电池首选的负极体系。但硅在吸锂过程中会产生巨大的体积膨胀(＞300％)，导致材料粉化脱落，循环性能急剧下降，影响了其实际应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种苹果状嵌入式硅碳负极材料及其制备方法，其将硅碳材料置于石墨层内，有效限制硅在吸锂过程中体积的过量膨胀。
为此，本发明的技术方案如下：
一种苹果状嵌入式硅碳负极材料，从内向外依次为芯部、中间部和外层；所述芯部为微米级的碳包覆硅碳材料，中间部为微米级的石墨材料，外层为亚微米级的碳包覆硅碳材料；
所述中间部呈边缘倒圆角的圆筒状，所述芯部填充在所述中间部内，且在所述中间部的两端形成凹陷；所述外层包覆在所述中间部的表面。
一种苹果状嵌入式硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将石墨、无水乙醇和占石墨质量1～3％的粘结剂进行球磨，至球磨后粒度D50≤2μm，得到浆料I；
2)将所述浆料I在惰性气氛中用压力式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，喷雾干燥时进口温度为160～210℃，压力为0.4～0.7Mpa，得到物料I，所述物料I的形状为边缘倒圆角的圆筒状；
3)将所述物料I在惰性气氛中450～700℃下进行一次焙烧，焙烧时间为2～12h，得到物料II；
4)将所述物料II、无水乙醇、粘结剂I和粒度D50≤100nm的硅粉进行球磨搅拌，所述硅粉的质量是物料II质量的5～10％，所述粘结剂I的质量是物料II质量的1～2％，混合均匀后得到浆料II；
5)将所述浆料II进行喷雾干燥，得到物料III；
6)将所述物料III在惰性气氛中900～1050℃进行二次焙烧，焙烧时间为2～12h，得到物料IV，经后处理得到所述苹果状嵌入式硅碳负极材料。
进一步，所述粘结剂、粘结剂I为聚乙二醇、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种。
进一步，步骤2)、3)、6)中所述惰性气氛为氮气气氛、氦气气氛和氩气气氛中的任意一种。
进一步，所述石墨为人造石墨或天然石墨。
进一步，步骤5)进行喷雾干燥的条件为：利用离心式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，进口温度为160～210℃。
本发明提供一种苹果状嵌入式硅碳负极材料及其制备方法，该材料中的碳包覆硅碳材料提高了产品的比容量，中间部的石墨不仅可以提高硅碳材料的导电性，而且可以限制硅的体积膨胀。同时该制备方法简单、易于操作，便于实现大规模生产。
附图说明
图1为苹果状嵌入式硅碳负极材料的结构示意图；
图2为实施例1步骤3)得到的物料II的扫描电镜图；
图3为实施例1得到的苹果状嵌入式硅碳负极材料的扫描电镜图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
实施例1
一种苹果状嵌入式硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将天然石墨、无水乙醇和占石墨质量1％的聚乙二醇加入砂磨机进行球磨，至球磨后粒度D50＝1μm，得到浆料I；
2)将浆料I在氮气气氛中用压力式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，喷雾干燥时进口温度为210℃，压力为0.7Mpa，得到物料I，物料I的形状为边缘倒圆角的圆筒状；
3)将物料I在氮气气氛中450℃下进行一次焙烧，焙烧时间为12h，得到物料II；
4)将物料II、无水乙醇、聚乙二醇和粒度D50＝90nm的硅粉加入搅拌球磨机进行搅拌，该硅粉的质量是物料II质量的5％，聚乙二醇的质量是物料II质量的1％，混合均匀后得到浆料II；
5)将浆料II在氮气气氛中用离心式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，进口温度为160℃，得到物料III；
6)将物料III在氮气气氛中1000℃进行二次焙烧，焙烧时间为4h，得到物料IV，将物料IV过筛、除磁、包装后得到苹果状嵌入式硅碳负极材料。
该产品从内向外依次为芯部1、中间部2和外层3，芯部1为约5微米的碳包覆硅碳材料，中间部2为约4微米的石墨材料，外层3为约0.1微米的碳包覆硅碳材料；中间部2呈边缘倒圆角的圆筒状，芯部1填充在中间部2内，且在中间部2的两端形成凹陷；外层3包覆在中间部2的表面。
实施例2
一种苹果状嵌入式硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将人造石墨、无水乙醇和占石墨质量1％的聚乙二醇加入砂磨机进行球磨，至球磨后粒度D50＝1μm，得到浆料I；
2)将浆料I在氮气气氛中用压力式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，喷雾干燥时进口温度为160℃，压力为0.4Mpa，得到物料I，物料I的形状为边缘倒圆角的圆筒状；
3)将物料I在氮气气氛中700℃下进行一次焙烧，焙烧时间为6h，得到物料II；
4)将物料II、无水乙醇、聚乙二醇和粒度D50＝90nm的硅粉加入搅拌球磨机进行搅拌，该硅粉的质量是物料II质量的5％，聚乙二醇的质量是物料II质量的2％，混合均匀后得到浆料II；
5)将浆料II在氮气气氛中用离心式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，进口温度为180℃，得到物料III；
6)将物料III在氮气气氛中1000℃进行二次焙烧，焙烧时间为8h，得到物料IV，将物料IV过筛、除磁、包装后得到苹果状嵌入式硅碳负极材料。
该产品从内向外依次为芯部1、中间部2和外层3，芯部1为约4.5微米的碳包覆硅碳材料，中间部2为约4微米的石墨材料，外层3为约0.1微米的碳包覆硅碳材料；中间部2呈边缘倒圆角的圆筒状，芯部1填充在中间部2内，且在中间部2的两端形成凹陷；外层3包覆在中间部2的表面。
实施例3
一种苹果状嵌入式硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将人造石墨、无水乙醇和占石墨质量3％的聚乙烯醇加入砂磨机进行球磨，至球磨后粒度D50＝0.8μm，得到浆料I；
2)将浆料I在氩气气氛中用压力式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，喷雾干燥时进口温度为200℃，压力为0.7Mpa，得到物料I，物料I的形状为边缘倒圆角的圆筒状；
3)将物料I在氩气气氛中700℃下进行一次焙烧，焙烧时间为12h，得到物料II；
4)将物料II、无水乙醇、聚乙烯醇和粒度D50＝90nm的硅粉加入搅拌球磨机进行搅拌，该硅粉的质量是物料II质量的10％，聚乙烯醇的质量是物料II质量的2％，混合均匀后得到浆料II；
5)将浆料II在氩气气氛中用离心式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，进口温度为180℃，得到物料III；
6)将物料III在氩气气氛中1050℃进行二次焙烧，焙烧时间为4h，得到物料IV，将物料IV过筛、除磁、包装后得到苹果状嵌入式硅碳负极材料。
该产品从内向外依次为芯部1、中间部2和外层3，芯部1为约4微米的碳包覆硅碳材料，中间部2为约4微米的石墨材料，外层3为约0.1微米的碳包覆硅碳材料；中间部2呈边缘倒圆角的圆筒状，芯部1填充在中间部2内，且在中间部2的两端形成凹陷；外层3包覆在中间部2的表面。
实施例4
一种苹果状嵌入式硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将人造石墨、无水乙醇和占人造石墨质量3％的聚乙烯吡咯烷酮加入砂磨机进行球磨，至球磨后粒度D50＝0.8μm，得到浆料I；
2)将浆料I在氦气气氛中用压力式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，喷雾干燥时进口温度为200℃，压力为0.7Mpa，得到物料I，物料I的形状为边缘倒圆角的圆筒状；
3)将物料I在氮气气氛中700℃下进行一次焙烧，焙烧时间为6h，得到物料II；
4)将物料II、无水乙醇、聚乙烯吡咯烷酮和粒度D50＝90nm的硅粉进行球磨搅拌，该硅粉的质量是物料II质量的10％，聚乙烯吡咯烷酮的质量是物料II质量的2％，混合均匀后得到浆料II；
5)将浆料II在氦气气氛中用离心式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，进口温度为180℃，得到物料III；
6)将物料III在氮气气氛中1050℃进行二次焙烧，焙烧时间为4h，得到物料IV，将物料IV过筛、除磁、包装后得到苹果状嵌入式硅碳负极材料。
该产品从内向外依次为芯部1、中间部2和外层3，芯部1为约6微米的碳包覆硅碳材料，中间部2为约3微米的石墨材料，外层3为约0.1微米的碳包覆硅碳材料；中间部2呈边缘倒圆角的圆筒状，芯部1填充在中间部2内，且在中间部2的两端形成凹陷；外层3包覆在中间部2的表面。
实施例5
一种苹果状嵌入式硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将天然石墨、无水乙醇和占石墨质量3％的聚乙烯吡咯烷酮加入砂磨机进行球磨，至球磨后粒度D50＝0.8μm，得到浆料I；
2)将浆料I在氦气气氛中用压力式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，喷雾干燥时进口温度为200℃，压力为0.7Mpa，得到物料I，物料I的形状为边缘倒圆角的圆筒状；
3)将物料I在氦气气氛中600℃下进行一次焙烧，焙烧时间为12h，得到物料II；
4)将物料II、无水乙醇、聚乙烯吡咯烷酮和粒度D50＝90nm的硅粉进行球磨搅拌，该硅粉的质量是物料II质量的10％，聚乙烯吡咯烷酮的质量是物料II质量的1％，混合均匀后得到浆料II；
5)将浆料II在氦气气氛中用离心式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，进口温度为200℃，得到物料III；
6)将物料III在氦气气氛中1000℃进行二次焙烧，焙烧时间为8h，得到物料IV，将物料IV过筛、除磁、包装后得到苹果状嵌入式硅碳负极材料。
该产品从内向外依次为芯部1、中间部2和外层3，芯部1为约4.5微米的碳包覆硅碳材料，中间部2为约4.5微米的石墨材料，外层3为约0.1微米的碳包覆硅碳材料；中间部2呈边缘倒圆角的圆筒状，芯部1填充在中间部2内，且在中间部2的两端形成凹陷；外层3包覆在中间部2的表面。
实验情况：
图1为本发明得到的苹果状嵌入式硅碳负极材料的结构示意图；由图可见，最内层为碳包覆硅碳材料，中间层为石墨材料；最外层为碳包覆硅碳材料。该结构可以保证该产品具有较高比容量和优异循环性能。
图2为实施例1步骤3)得到的物料II的扫描电镜图；图3为实施例1得到的苹果状嵌入式硅碳负极材料的扫描电镜图。可见，首先制得呈边缘倒圆角的圆筒状的石墨材料，也即空心结构苹果形的石墨材料，然后在空心结构内部填充硅碳复合材料，同时外层包覆硅碳复合材料。
表1列出了实施例1～5制得的锂离子二次电池负极材料制成扣式电池的首次循环充放电容量和实效电池循环性能。扣式电池的测试条件为LR 2032，0.1C，0.01～2.0V，vs.Li+/Li；实效电池的测试条件为，18650，1C，3.0～4.2V，使用的充放电设备为兰电充放电仪。
表2循环性能测试表
由表中数据可以看出，各实施例制得的苹果状嵌入式硅碳负极材料首次库伦效率高，循环性能优异。

Claims (6)

1.一种苹果状嵌入式硅碳负极材料，其特征在于：从内向外依次为芯部(1)、中间部(2)和外层(3)；所述芯部(1)为微米级的碳包覆硅碳材料，中间部(2)为微米级的石墨材料，外层(3)为亚微米级的碳包覆硅碳材料；
所述中间部(2)呈边缘倒圆角的圆筒状，所述芯部(1)填充在所述中间部(2)内，且在所述中间部(2)的两端形成凹陷；所述外层(3)包覆在所述中间部(2)的表面。
2.一种苹果状嵌入式硅碳负极材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将石墨、无水乙醇和占石墨质量1～3％的粘结剂进行球磨，至球磨后粒度D50≤2μm，得到浆料I；
2)将所述浆料I在惰性气氛中用压力式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，喷雾干燥时进口温度为160～210℃，压力为0.4～0.7Mpa，得到物料I，所述物料I的形状为边缘倒圆角的圆筒状；
3)将所述物料I在惰性气氛中450～700℃下进行一次焙烧，焙烧时间为2～12h，得到物料II；
4)将所述物料II、无水乙醇、粘结剂I和粒度D50≤100nm的硅粉进行球磨搅拌，所述硅粉的质量是物料II质量的5～10％，所述粘结剂I的质量是物料II质量的1～2％，混合均匀后得到浆料II；
5)将所述浆料II进行喷雾干燥，得到物料III；
6)将所述物料III在惰性气氛中900～1050℃进行二次焙烧，焙烧时间为2～12h，得到物料IV，经后处理得到所述苹果状嵌入式硅碳负极材料。
3.如权利要求2所述苹果状嵌入式硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述粘结剂、粘结剂I为聚乙二醇、聚乙烯醇和聚乙烯吡咯烷酮中的任意一种。
4.如权利要求2所述苹果状嵌入式硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤2)、3)、6)中所述惰性气氛为氮气气氛、氦气气氛和氩气气氛中的任意一种。
5.如权利要求2所述苹果状嵌入式硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤5)进行喷雾干燥的条件为：利用离心式喷雾干燥机组进行喷雾干燥，进口温度为160～210℃。
6.如权利要求2所述苹果状嵌入式硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述石墨为人造石墨或天然石墨。
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