CN110492091A - 一种锂电池生产用负极材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂电池生产技术领域，尤其是一种锂电池生产用负极材料及其制备方法，针对现有的碳负极材料；克容量低、循环次数较多时层状结构容易剥离脱落等；硅作为锂电池负极在充电时锂离子从正极材料脱出嵌入硅晶体内部晶格间，造成了很大的膨胀。放电时锂离子从晶格间脱出，又形成成了很大的间隙；现提出如下方案，包括以下重量份的材料：硅烷40‑60份；聚乙烯醇40‑60份；导电剂3‑5份；粘合剂10‑15份；与核桃结构的硅碳材料相比，包覆结构的硅碳材料中含有较多含量的硅，大大提高了嵌锂空间；硅颗粒膨胀粉碎的现象也会减少很多。纳米硅通过二氧化硅包覆后与聚乙烯醇共热生成碳硅复合材料壳膜，有效缓解复合材料的结构变化，提高锂电池循环寿命。

Description

一种锂电池生产用负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池生产技术领域，尤其涉及一种锂电池生产用负极材料及其制备方法。
背景技术
锂电池的负极材料具有多种，电池的负极指电源中电位(电势) 较低的一端。在原电池中，是指起氧化作用的电极，电池反应中写在左边。从物理角度来看，是电路中电子流出的一极。而负极材料，则是指电池中构成负极的原料，目前常见的负极材料有碳负极材料、锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料、合金类负极材料和纳米级负极材料。现如今锂电池应用十分广泛。
常用的碳负极材料；克容量低(372mAh/g)、循环次数较多时层状结构容易剥离脱落等，限制了锂电池比能量和性能的进一步提升；硅作为锂电池负极具有致命的缺陷，充电时锂离子从正极材料脱出嵌入硅晶体内部晶格间，造成了很大的膨胀(约300％)，形成硅锂合金。放电时锂离子从晶格间脱出，又形成成了很大的间隙，使用不便。
发明内容
本发明提出的一种锂电池生产用负极材料及其制备方法，解决了常用的碳负极材料；克容量低、循环次数较多时层状结构容易剥离脱落等；硅作为锂电池负极在充电时锂离子从正极材料脱出嵌入硅晶体内部晶格间，造成了很大的膨胀，形成硅锂合金。放电时锂离子从晶格间脱出，又形成成了很大的间隙，使用不便问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种锂电池生产用负极材料，其特征在于，包括以下重量份的原材料：
硅烷40-60份；聚乙烯醇40-60份；导电剂3-5份；粘合剂10-15 份。
优选的，硅烷为甲硅烷SiH4和乙硅烷Si2H6按重量比2:1混合制得。
优选的，导电剂为乙炔粉末。
优选的，粘合剂为PAA粘合剂；用于在Si表面形成类似SEI膜的包覆、抑制电解液分解。
优选的，锂电池生产用负极材料的制备方法包括以下具体步骤：
S1、向等离子发生器中引入硅烷，经过电离分解重新成核得到纳米硅颗粒；
S2、纳米硅颗粒经过气固分离和冷却后，得到纳米硅粉；取出备用；
S3、将纳米硅粉放入密封容器中，通入氧气持续加热10-15分钟，控制加热温度为300-400摄氏度，并对纳米硅粉持续搅拌；纳米硅粉的表面形成含二氧化硅的壳膜；制得具有包覆层的纳米硅粉；
S4、按重量比1:1取含有包覆层的纳米硅粉和聚乙烯醇放入密封容器中，向密封容器中通入惰性气体，并对密封容器持续加热；加热温度维持在400-500摄氏度，连续加热30-60min；加热过程中对密封容器持续震荡；含有包覆层的纳米硅粉表面形成碳硅复合材料；
S5、取出固体产物，添加导电剂和粘合剂；将固体产物导电剂与粘合剂粘贴在基层中；
S6、在基层的外部包裹上隔膜，制得锂电池负极。
优选的，S6中基层为多孔状的硅基薄板。
优选的，S6中含有包覆层的纳米硅粉表面形成的碳硅复合材料的厚度为5-10nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，使用硅烷作为原料制备成纳米硅粉，纳米硅粉能够有效降低充放电过程中负极的体积膨胀，减少负极的损坏几率。
2、本发明中，硅材料表面包覆碳之后，可增强材料的导电性能，碳材料具有一定韧性，避免硅颗粒之间的团聚及脱嵌锂过程中材料的体积膨胀，同时在碳材料表面形成SEI膜，抑制了电解液对负极材料的侵蚀破坏，从而增加循环寿命，提高倍率性能。
3、本发明中，与核桃结构的硅碳材料相比，包覆结构的硅碳材料中含有较多含量的硅，大大提高了嵌锂空间；此外，硅颗粒膨胀粉碎的现象也会减少很多。
4、本发明中，纳米硅通过二氧化硅包覆后与聚乙烯醇共热生成碳硅复合材料壳膜，有效缓解复合材料的结构变化，提高锂电池循环寿命。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
一种锂电池生产用负极材料，包括以下重量份的原材料：
硅烷40份；聚乙烯醇40份；导电剂5份；粘合剂10份。
硅烷为甲硅烷SiH4和乙硅烷Si2H6按重量比2:1混合制得。导电剂为乙炔粉末。粘合剂为PAA粘合剂；用于在Si表面形成类似SEI 膜的包覆、抑制电解液分解。
锂电池生产用负极材料的制备方法包括以下具体步骤：
S1、向等离子发生器中引入硅烷，经过电离分解重新成核得到纳米硅颗粒；
S2、纳米硅颗粒经过气固分离和冷却后，得到纳米硅粉；取出备用；
S3、将纳米硅粉放入密封容器中，通入氧气持续加热10-15分钟，控制加热温度为300-400摄氏度，并对纳米硅粉持续搅拌；纳米硅粉的表面形成含二氧化硅的壳膜；制得具有包覆层的纳米硅粉；
S4、按重量比1:1取含有包覆层的纳米硅粉和聚乙烯醇放入密封容器中，向密封容器中通入惰性气体，并对密封容器持续加热；加热温度维持在400-500摄氏度，连续加热30-60min；加热过程中对密封容器持续震荡；含有包覆层的纳米硅粉表面形成碳硅复合材料；
S5、取出固体产物，添加导电剂和粘合剂；将固体产物导电剂与粘合剂粘贴在基层中；
S6、在基层的外部包裹上隔膜，制得锂电池负极。
在本实施例中，S6中基层为多孔状的硅基薄板，S6中含有包覆层的纳米硅粉表面形成的碳硅复合材料的厚度为5-10nm，惰性气体为氩气。
实施例2：
一种锂电池生产用负极材料，包括以下重量份的原材料：
硅烷60份；聚乙烯醇60份；导电剂5份；粘合剂15份。
在本实施例中，硅烷为甲硅烷SiH4和乙硅烷Si2H6按重量比2:1 混合制得。导电剂为乙炔粉末。粘合剂为PAA粘合剂；用于在Si表面形成类似SEI膜的包覆、抑制电解液分解。
锂电池生产用负极材料的制备方法包括以下具体步骤：
S1、向等离子发生器中引入硅烷，经过电离分解重新成核得到纳米硅颗粒；
S2、纳米硅颗粒经过气固分离和冷却后，得到纳米硅粉；取出备用；
S3、将纳米硅粉放入密封容器中，通入氧气持续加热10-15分钟，控制加热温度为300-400摄氏度，并对纳米硅粉持续搅拌；纳米硅粉的表面形成含二氧化硅的壳膜；制得具有包覆层的纳米硅粉；
S4、按重量比1:1取含有包覆层的纳米硅粉和聚乙烯醇放入密封容器中，向密封容器中通入惰性气体，并对密封容器持续加热；加热温度维持在400-500摄氏度，连续加热30-60min；加热过程中对密封容器持续震荡；含有包覆层的纳米硅粉表面形成碳硅复合材料；
S5、取出固体产物，添加导电剂和粘合剂；将固体产物导电剂与粘合剂粘贴在基层中；
S6、在基层的外部包裹上隔膜，制得锂电池负极。
在本实施例中，基层为多孔状的硅基薄板，S6中含有包覆层的纳米硅粉表面形成的碳硅复合材料的厚度为5-10nm，惰性气体为氩气。
实施例3：
一种锂电池生产用负极材料，包括以下重量份的原材料：
硅烷50份；聚乙烯醇50份；导电剂4份；粘合剂15份。
在本实施例中，硅烷为甲硅烷SiH4和乙硅烷Si2H6按重量比2:1 混合制得。导电剂为乙炔粉末。粘合剂为PAA粘合剂；用于在Si表面形成类似SEI膜的包覆、抑制电解液分解。
锂电池生产用负极材料的制备方法包括以下具体步骤：
S1、向等离子发生器中引入硅烷，经过电离分解重新成核得到纳米硅颗粒；
S2、纳米硅颗粒经过气固分离和冷却后，得到纳米硅粉；取出备用；
S3、将纳米硅粉放入密封容器中，通入氧气持续加热10-15分钟，控制加热温度为300-400摄氏度，并对纳米硅粉持续搅拌；纳米硅粉的表面形成含二氧化硅的壳膜；制得具有包覆层的纳米硅粉；
S4、按重量比1:1取含有包覆层的纳米硅粉和聚乙烯醇放入密封容器中，向密封容器中通入惰性气体，并对密封容器持续加热；加热温度维持在400-500摄氏度，连续加热30-60min；加热过程中对密封容器持续震荡；含有包覆层的纳米硅粉表面形成碳硅复合材料；
S5、取出固体产物，添加导电剂和粘合剂；将固体产物导电剂与粘合剂粘贴在基层中；
S6、在基层的外部包裹上隔膜，制得锂电池负极。
在本实施例中，基层为多孔状的硅基薄板。S6中含有包覆层的纳米硅粉表面形成的碳硅复合材料的厚度为5-10nm，惰性气体为氖气。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于锂电池生产用负极材料，其特征在于，包括以下重量份的原材料：
硅烷40-60份；聚乙烯醇40-60份；导电剂3-5份；粘合剂10-15份。
2.根据权利要求1所述的一种用于锂电池生产用负极材料其特征在于，硅烷为甲硅烷SiH4和乙硅烷Si2H6按重量比2:1混合制得。
3.根据权利要求1所述的一种用于锂电池生产用负极材料其特征在于，导电剂为乙炔粉末。
4.根据权利要求1所述的一种用于锂电池生产用负极材料其特征在于，粘合剂为PAA粘合剂；用于在Si表面形成类似SEI膜的包覆、抑制电解液分解。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种用于锂电池生产用负极材料，其特征在于，锂电池生产用负极材料的制备方法包括以下具体步骤：
S1、向等离子发生器中引入硅烷，经过电离分解重新成核得到纳米硅颗粒；
S2、纳米硅颗粒经过气固分离和冷却后，得到纳米硅粉；取出备用；
S3、将纳米硅粉放入密封容器中，通入氧气持续加热10-15分钟，控制加热温度为300-400摄氏度，并对纳米硅粉持续搅拌；纳米硅粉的表面形成含二氧化硅的壳膜；制得具有包覆层的纳米硅粉；
S4、按重量比1:1取含有包覆层的纳米硅粉和聚乙烯醇放入密封容器中，向密封容器中通入惰性气体，并对密封容器持续加热；加热温度维持在400-500摄氏度，连续加热30-60min；加热过程中对密封容器持续震荡；含有包覆层的纳米硅粉表面形成碳硅复合材料；
S5、取出固体产物，添加导电剂和粘合剂；将固体产物导电剂与粘合剂粘贴在基层中；
S6、在基层的外部包裹上隔膜，制得锂电池负极。
6.根据权利要求4所述的一种用于锂电池生产用负极材料的制备方法，其特征在于，S6中基层为多孔状的硅基薄板。
7.根据权利要求1所述的一种用于锂电池生产用负极材料的制备方法，其特征在于，S6中含有包覆层的纳米硅粉表面形成的碳硅复合材料的厚度为5-10nm。
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