CN109148871A - 一种基于SiC的负极材料及锂离子电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于SiC的负极材料及锂离子电池。所述负极材料制备方法包括如下步骤：S1.利用气相合成法制备尺寸在50～100纳米范围内的硅纳米颗粒；S2.将硅纳米颗粒与一定比例的石墨混匀，球磨制备Si/C复合物；S3.采用喷雾干燥法制备球形或近球形的酚醛树脂包覆Si/C复合材料的前驱体；S4.对S3的前驱体进行高温焙烧，得到核壳结构的碳包覆SiC负极材料。本发明碳包覆Si的“壳‑核”结构有效抑制了Si金属在嵌锂过程中的膨胀，改善了锂离子电池的循环性能。在混浆工序中，加入人造石墨，改善电池循环性能；所述导电胶具有一定的柔韧性，可以进一步吸收Si金属膨胀产生的应力，改善电池循环性能；电解液中增加VC的含量，有利于改善电池的首次效率和循环性能。

Description

一种基于SiC的负极材料及锂离子电池
技术领域
本发明属于聚合物锂离子电池，更具体地，涉及一种基于SiC的负极材料及锂离子电池。
背景技术
随着各种便携式电子设备和电动汽车的广泛应用及快速发展，对其动力系统——化学电源的需求和性能要求急剧增长，锂离子电池以其比能量大、工作电压高、自放电率小等优势广泛应用于移动电子终端设备领域，并且随着对高能电源需求的增长，使得锂离子电池向着更高能量密度的方向发展。
目前商品化的锂离子电池大多采用钴酸锂/石墨体系，由于该体系电极本身较低的理论容量，通过改进电池制备工艺来提高电池性能已难以取得突破性进展。
一般来说，锂离子电池的总比容量是由正极材料的比容量、负极材料的比容量及电池的其它组分决定的，其中正、负极材料的比容量是提高锂离子电池总比容量的关键。因此，应用新型高比容量的锂离子电池电极材料开发高比能量电池系统的任务极具迫切性。
研究表明，当负极材料的比容量在1000～1200mAh/g时可以显著提高锂离子电池的总比容量。
理论上在室温下能够与锂形成合金的元素，包括Mg、Al、Si、Sn、Sb等，都可以作为锂离子电池的负极材料。在这些体系中，Si因具有极高的理论储锂容量、低嵌锂电位而备受瞩目。对于Li-Si二元体系，每个硅原子最多可以结合4.4个锂原子形成Li22Si5合金，嵌锂容量为4200mAh/g，在室温下对于块体Si，Li15Si4是其最高嵌锂相，相应的比容量为3579mAh/g。但是，Si基材料在脱、嵌锂循环过程中要经历严重的体积膨胀和收缩(体积变化率:280％～300％)，造成材料结构的破坏和机械粉化，导致电极材料间及电极材料与集流体的分离，进而失去电接触，致使容量迅速衰减。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种基于SiC的负极材料及锂离子电池，从SiC负极材料的优化研究和SiC材料的应用工艺研究两方面来提高电池系统的能量密度。
本发明的上述目的是通过以下技术方案予以实现的。
一种基于SiC的负极材料，其制备方法包括如下步骤：
S1.利用气相合成法制备尺寸在50～100纳米范围内的硅纳米颗粒；
S2.将硅纳米颗粒与一定比例的石墨混匀，球磨制备Si/C复合物；
S3.采用喷雾干燥法制备球形或近球形的酚醛树脂包覆Si/C复合材料的前驱体；
S4.对S3的前驱体进行高温焙烧，得到核壳结构的碳包覆SiC负极材料。
优选地，步骤S2所述硅纳米颗粒与石墨的摩尔比例为1.2～1.5:1。
优选地，步骤S4所述高温焙烧的时间为1～2h。
本发明还提供一种锂离子电池，包含所述的负极材料。
优选地，在负极混浆过程中，在所述SiC负极材料中加入人造石墨，所述人造石墨的比例为40～60％；在SiC负极材料涂覆之前，首先在负极基体铜箔表面涂覆一层3～5μm厚度的导电胶，所述导电胶由PVDF、CNTs和NMP以一定比例混合而成。
优选地，在电解液体系中，VC的含量添加1.0～2.0％。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)碳包覆Si的“壳-核”结构有效抑制了Si金属在嵌锂过程中的膨胀，改善了锂离子电池的循环性能。
(2)在混浆工序中，加入人造石墨，石墨润滑的特性可以吸收Si金属膨胀过程中产生的应力，改善电池循环性能。
(3)在负极铜箔基体与SiC复合材料之间涂覆一层导电胶，导电胶具有一定的柔韧性，可以进一步吸收Si金属膨胀产生的应力，改善电池循环性能。
(4)在电解液中增加VC的含量，使负极表面SEI更加稳定，其弹性不易碎的结构特点有利于改善电池的首次效率和循环性能。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
以下以具体实施条件为例对本发明方法进行进一步说明。
实施例1
一种基于SiC的负极材料，其制备方法包括如下步骤：
S1.利用气相合成法制备尺寸在50～100纳米范围内的硅纳米颗粒；
S2.将硅纳米颗粒与石墨按1.2～1.5:1的摩尔比混匀，球磨制备Si/C复合物；
S3.采用喷雾干燥法制备球形或近球形的酚醛树脂包覆Si/C复合材料的前驱体；
S4.对S3的前驱体进行高温焙烧1～2h，得到核壳结构的碳包覆SiC负极材料。
碳包覆Si的“壳-核”结构有效抑制了Si金属在嵌锂过程中的膨胀，改善了锂离子电池的循环性能，其循环性能相比普通的负极材料提高了10％以上。
实施例2
本发明还提供一种锂离子电池，包含所述的负极材料。
在负极混浆过程中，在所述SiC负极材料中加入人造石墨，所述人造石墨的比例为40～60％；在SiC负极材料涂覆之前，首先在负极基体铜箔表面涂覆一层3～5μm厚度的导电胶，所述导电胶由PVDF、CNTs和NMP以一定比例混合而成；在电解液体系中，VC的含量添加1.0～2.0％。
在混浆工序中，加入人造石墨，石墨润滑的的特性可以吸收Si金属膨胀过程中产生的应力，改善电池循环性能；在负极铜箔基体与Si/C符合材料之间涂覆一层导电胶，导电胶具有一定的柔韧性，可以进一步吸收Si金属膨胀产生的应力，改善电池循环性能；在电解液中增加VC的含量，使负极表面SEI更加稳定，其弹性不易碎的结构特点有利于改善电池的首次效率和循环性能。
对比例1
本对比例与实施例2的区别在于，所述人造石墨的比例为30％。其他参数均不变。
经测试，本对比例制得的锂离子电池的循环性能比实施例2低10～15％。
申请人声明，本发明通过上述实例来说明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明的等效替换以及具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的实施，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于SiC的负极材料，其特征在于，其制备方法包括如下步骤：
S1. 利用气相合成法制备尺寸在50~100纳米范围内的硅纳米颗粒；
S2. 将硅纳米颗粒与一定比例的石墨混匀，球磨制备Si/C复合物；
S3. 采用喷雾干燥法制备球形或近球形的酚醛树脂包覆Si/C复合材料的前驱体；
S4. 对S3的前驱体进行高温焙烧，得到核壳结构的碳包覆SiC负极材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于SiC的负极材料，其特征在于，步骤S2所述硅纳米颗粒与石墨的摩尔比例为1.2~1.5:1。
3.根据权利要求1所述的一种基于SiC的负极材料，其特征在于，步骤S4所述高温焙烧的时间为1~2h。
4.一种锂离子电池，包含权利要求1~3任一项所述的负极材料。
5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池，其特征在于，在负极混浆过程中，在所述SiC负极材料中加入人造石墨，所述人造石墨的比例为40~60%；在SiC负极材料涂覆之前，首先在负极基体铜箔表面涂覆一层3~5 μm厚度的导电胶，所述导电胶由PVDF、CNTs和NMP以一定比例混合而成。
6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池，其特征在于，在电解液体系中，VC的含量添加1.0~2.0%。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022140952A1 (zh) * 2020-12-28 2022-07-07 宁德新能源科技有限公司 硅碳复合颗粒、负极活性材料及包含它的负极、电化学装置和电子装置
CN115832290A (zh) * 2021-11-16 2023-03-21 宁德时代新能源科技股份有限公司 负极活性材料及其制备方法、负极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105633374A (zh) * 2016-01-31 2016-06-01 湖南大学 一种硅-碳-石墨复合负极材料的制备方法
CN105789556A (zh) * 2016-04-26 2016-07-20 中国科学院长春应用化学研究所 一种电极片和锂离子电池
CN107634208A (zh) * 2017-09-20 2018-01-26 赣州市瑞富特科技有限公司 一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法
CN108539186A (zh) * 2018-06-12 2018-09-14 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种高容量硅碳负极材料及其制备方法和应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105633374A (zh) * 2016-01-31 2016-06-01 湖南大学 一种硅-碳-石墨复合负极材料的制备方法
CN105789556A (zh) * 2016-04-26 2016-07-20 中国科学院长春应用化学研究所 一种电极片和锂离子电池
CN107634208A (zh) * 2017-09-20 2018-01-26 赣州市瑞富特科技有限公司 一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法
CN108539186A (zh) * 2018-06-12 2018-09-14 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种高容量硅碳负极材料及其制备方法和应用

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022140952A1 (zh) * 2020-12-28 2022-07-07 宁德新能源科技有限公司 硅碳复合颗粒、负极活性材料及包含它的负极、电化学装置和电子装置
CN115832290A (zh) * 2021-11-16 2023-03-21 宁德时代新能源科技股份有限公司 负极活性材料及其制备方法、负极极片、二次电池、电池模块、电池包和用电装置

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