CN111755683A - 一种锂离子电池用含硅负极材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池用含硅负极材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111755683A
CN111755683A CN202010639948.7A CN202010639948A CN111755683A CN 111755683 A CN111755683 A CN 111755683A CN 202010639948 A CN202010639948 A CN 202010639948A CN 111755683 A CN111755683 A CN 111755683A
Authority
CN
China
Prior art keywords
silicon
negative electrode
electrode material
carbon
lithium ion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010639948.7A
Other languages
English (en)
Inventor
胡亮
张少波
俞有康
李晓马
张志权
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui Keda Borui Energy Technology Co ltd
Anhui Keda New Materials Co ltd
Maanshan Keda Purui Energy Technology Co ltd
Original Assignee
Anhui Keda Borui Energy Technology Co ltd
Anhui Keda New Materials Co ltd
Maanshan Keda Purui Energy Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui Keda Borui Energy Technology Co ltd, Anhui Keda New Materials Co ltd, Maanshan Keda Purui Energy Technology Co ltd filed Critical Anhui Keda Borui Energy Technology Co ltd
Priority to CN202010639948.7A priority Critical patent/CN111755683A/zh
Publication of CN111755683A publication Critical patent/CN111755683A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H01M4/386—Silicon or alloys based on silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/628—Inhibitors, e.g. gassing inhibitors, corrosion inhibitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

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用含硅负极材料及其制备方法，所述负极材料包含硅氧颗粒、多孔碳和包覆碳；所述负极材料中含有30％～60wt.％的硅氧颗粒、10wt％～40wt％的多孔碳和10wt％～30wt％的包覆碳；所述硅氧颗粒可用SiOX表示，其中0＜x＜0.5；所述多孔碳材料在负极材料内部与硅氧颗粒结合，形成的孔隙率为10～50体积％；所述负极材料的表层部分被碳层覆盖，包覆碳层的厚度为10～1000nm；相比于现有技术，本发明制备的锂离子电池用含硅负极材料具有优异的电化学性能。

Description

一种锂离子电池用含硅负极材料及其制备方法
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用含硅负极材料及其制备方法。
背景技术
目前常规的锂离子负极材料以石墨负极为主，但石墨负极的理论比容量仅为372mAh/g，已无法满足用户的迫切需求。硅的理论容量高达4200mAh/g，是石墨负极材料容量的10倍以上，同时，硅碳复合品的库伦效率也和石墨负极接近，且价格便宜、环境友好、地球储量丰富，是新一代高容量负极材料的最优选择。但由于硅材料本身导电性差，且硅在充电时体积膨胀高达300％，充放电过程中的体积膨胀容易导致材料结构的崩塌和电极的剥落、粉化，造成活性材料损失，进而导致电池容量锐减，循环性能严重恶化。
为了稳定充放电过程中硅的结构，缓解膨胀，达到改善电化学性能的效果，急需一种高电导率和高比表面积的碳材料，和硅混合使用作为锂电池负极材料。
发明内容
为了解决上述含硅负极材料存在的问题，本发明提供一种锂电池用含硅负极材料及制备方法，所述负极材料及包含硅氧颗粒、多孔碳和包覆碳。硅氧颗粒可用SiOX表示，其中0＜x＜0.5。所述硅氧颗粒的原料为微米硅粉，通过湿法研磨工艺制备。所述多孔碳在负极材料内部与硅氧颗粒结合，形成的孔隙率为10～50体积％，所述负极材料的表层的至少一部分被碳层覆盖，包覆碳层的厚度为10～1000nm。多孔碳材料具有丰富的空隙结构和高的比表面积，可以提高界面电荷传输速率，缩短粒子扩散路径，进而优化倍率性能，同时多孔碳材料能为硅在充放电过程中的体积膨胀预留空间，能明显的改善含硅负极材料的体积膨胀问题。包覆碳能改善硅负极材料表面的导电性能，并隔离电解液对负极材料的浸蚀，提升含硅负极材料的长循环和大倍率性能。
更具体的，本发明提供了一种锂离子电池用含硅负极材料，其特征在于：所述负极材料包含硅氧颗粒、多孔碳和包覆碳；所述负极材料中含有30％～60wt.％的硅氧颗粒，优选40％～50wt.％；10wt％～40wt％的多孔碳，优选20wt％～30wt％；10wt％～40wt％的包覆碳，优选20wt％～30wt％。
优选的，所述含硅负极材料的比表面积为2～20m2/g；所述含硅负极材料的中值粒径D50为5～17μm。
优选的，所述硅氧颗粒可用SiOX表示，其中0＜x＜0.5；所述多孔碳材料在负极材料内部与硅氧颗粒结合，形成的孔隙率为10～50体积％；所述负极材料的表层部分被碳层覆盖，包覆碳层的平均厚度为10～1000nm。
优选的，所述硅氧颗粒的中值粒径在100nm以下；所述硅氧颗粒通过X射线衍射图案分析，根据2θ＝28.4°附近的归属于Si(111)的衍射峰的半峰宽值，由Scherrer式计算出硅晶粒为5～12nm。
优选的，所述硅氧颗粒通过如下方法制备得到：将中值粒径为1～200μm、纯度＞99％的硅粉和研磨溶剂加入砂磨机的分散罐中，控制混合溶液固含量是10～30％，再加入助磨剂，助磨剂与多孔硅粉的质量比是(1～10)：100，搅拌均匀，研磨珠的材质选自硅酸锆、氧化铝、不锈钢、玛瑙、陶瓷、氧化锆和硬质合金中的一种，研磨珠与硅粉的质量比是(10～30):1，将搅拌罐中的混合溶液导入到砂磨机中，砂磨机的线速度＞14m/s，研磨时间为20～120h，优选30～50h，得到硅浆液；
所述湿法研磨设备为砂磨机，砂磨机搅拌轴的结构形状为盘式，棒式或棒盘式中的一种；
所述研磨溶剂为甲醇、苯甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙二醇、丁醇、正丁醇、异丁醇、戊醇、新戊醇、辛醇中的一种或多种；醇类溶剂的纯度≥99％；
所述研磨助磨剂为氯化铝、聚合醇胺、三乙醇胺、三异丙醇胺、焦磷酸钠、三聚磷酸钠、丙烯酸钠、十八酸钠、聚丙烯酸钠、亚甲基双萘磺酸钠、柠檬酸钾、环烷酸铅、亚甲基双萘磺酸钠、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物或古尔胶中的一种或多种。
优选的，所述多孔碳在负极材料内部形成的孔隙的平均尺寸为10～100nm。
优选的，所述多孔碳在负极材料内部形成的孔隙是不规则形状。
优选的，所述多孔结构是含碳物质在高温状态分解形成，分解温度为300～1000℃，分解过程是在氮气、氩气、氦气、二氧化碳、水蒸汽、氧气中的一种或组合中进行；所述含碳物质没有特殊的限定，优选葡萄糖、石油、煤、酚醛树脂、植物为原料提取、加工而成的含碳物质，可以是高分子合成的含碳物质。
优选的，所述包覆碳包括气相碳源高温分解形成的碳和固相碳源高温煅烧后的残留碳，高温反应均在惰性气氛中进行；所述惰性气体为氮气；
所述气相碳源包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙酮、丁烷、丁烯、戊烷、己烷、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、萘、苯酚、呋喃、吡啶、蒽、液化气中的一种；
所述固相碳源包括沥青、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、丙烯酸树脂、聚氯乙烯树脂、聚醚聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、甲醛树脂中的一种；
高温为600～1000℃，优选700～800℃。
本发明还涉及一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池负极材料为上述任一项所述的锂离子电池用含硅负极材料。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明制备的含硅负极材料中，硅氧颗粒的中值粒径为100nm以下，硅晶粒尺寸为5～12nm，硅的纳米化能极大的降低其在充放电过程中的绝对体积膨胀；
(2)本发明制备的含硅负极材料中，多孔碳材料具有丰富的空隙结构和高的比表面积，可以提高界面电荷传输速率，缩短粒子扩散路径，进而优化倍率性能，同时多孔碳材料能为硅在充放电过程中的体积膨胀预留空间，能明显的改善含硅负极材料的体积膨胀问题；
(3)本发明制备的含硅负极材料中，包覆碳能改善硅负极材料表面的导电性能，并隔离电解液对负极材料的浸蚀，提升含硅负极材料的长循环和大倍率性能；
(4)本发明制备的含硅负极材料具有优异的电化学性能，首次可逆容量(＞1800mAh/g)、循环性能优异(18650圆柱单体电池&420容量，600周循环保持率为＞88％)、倍率性能好(18650圆柱单体电池&420容量，5C放电容量保持率为＞92.8％)。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例1制得的硅碳负极材料的SEM图；
图2是本发明实施例1制得的硅碳负极材料的TEM图；
图3是本发明实施例1制得的扣式电池的首次充放电曲线；
图4是本发明实施例1制得的18650圆柱电池的在1C/1C倍率下的循环曲线。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种锂离子电池用含硅负极材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)多孔碳的制备：将葡萄糖置于箱式炉中，通入氩气进行气体保护，以3℃/min的升温速率升温至500℃，保温2h，冷却后得到葡萄糖分解形成的块状多孔碳；将此块状多孔碳进行研磨至细微粉末，经325目筛网筛分后，得到所需多孔碳；
(2)纳米硅的制备：将中值粒径1μm、纯度为99.99％的硅粉1000g和丙醇加入砂磨机的分散罐中，控制混合溶液固含量是10％，再加入助磨剂三乙醇胺，三乙醇胺与硅粉的质量比是1:100，开启搅拌30分钟；研磨珠的材质是硬质合金，研磨珠与硅粉的质量比是30:1；将搅拌罐中的混合溶液导入到砂磨机中，砂磨机的线速度16m/s，研磨时间为50h，得到硅浆液；通过氧氮氢分析仪检测得到硅浆液中硅氧颗粒的氧元素的质量含量为24％，若用通式SiOX表示，其x值为0.316；通过Mastersizer 3000粒度分析仪检测得到硅氧颗粒的中值粒径为78nm；通过X射线衍射图案分析得到纳米硅的晶粒为8.0nm；
(3)含硅负极材料的制备：将步骤(1)中的多孔碳790g加入到步骤(2)中的硅浆液中，搅拌均匀后，进行干燥。再将干燥后的粉末置于气相沉积炉中，通入氮气进行保护，然后以3℃/min的升温速度，升温到700℃，再通入甲烷进行气相沉积，流量为2L/min，控制甲烷沉积碳占总质量的20％，得到含硅负极材料；
所述负极材料中含有50wt.％的硅氧颗粒、30wt％的多孔碳和20wt％的包覆碳。
实施例2
(1)多孔碳的制备：将中值粒径为10μm的煤沥青置于箱式炉中，通入氮气进行气体保护，以3℃/min的升温速率升温至700℃，停止氮气输入，通入CO2，反应3h后，停止加热，冷却至室温，得到黑色粉末；将所得黑色粉末加入到过量的浓盐酸中，缓慢搅拌，反应20h，然后用去离子水充分洗涤至中性，烘干后得到所需多孔碳；
(2)纳米硅的制备：将中值粒径5μm、纯度为99.97％的硅粉1000g和乙醇加入砂磨机的分散罐中，控制混合溶液固含量是20％，再加入助磨剂焦磷酸钠，焦磷酸钠与硅粉的质量比是3:100，开启搅拌30分钟；研磨珠的材质是玛瑙，研磨珠与硅粉的质量比是25:1；将搅拌罐中的混合溶液导入到砂磨机中，砂磨机的线速度15m/s，研磨时间为106h，得到硅浆液；通过氧氮氢分析仪检测得到硅浆液中硅氧颗粒的氧元素的质量含量为33％，若用通式SiOX表示，其x值为0.493；通过Mastersizer 3000粒度分析仪检测得到硅氧颗粒的中值粒径为72nm；通过X射线衍射图案分析得到纳米硅的晶粒为7.6nm；
(3)含硅负极材料的制备：将步骤(1)中所得的多孔碳373g加入到步骤(2)中的硅浆液，搅拌均匀后进行干燥，干燥后的粉末置于气相沉积炉中，通入氮气进行保护，然后以3℃/min的升温速度，升温到700℃，再通入乙炔进行气相沉积，流量为2L/min，控制乙炔沉积碳占总质量的25％，得到含硅负极材料；
所述负极材料中含有60wt.％的硅氧颗粒、15wt％的多孔碳和25wt％的包覆碳。
实施例3
(1)多孔碳的制备：将稻壳置于箱式炉中，通入氦气进行气体保护，以3℃/min的升温速率升温至850℃，保温2h，冷却后得到炭化物；将炭化物与KOH以质量比1:4的比例混合，再加入到纯水中，搅拌均匀后，放置在烘箱中，控制烘箱温度为100℃，直到混合物烘干；将烘干后的粉末置于箱式炉中，通入氮气进行保护，以3℃/min的升温速率升温至650℃，保温2h后冷却至室温，洗涤、干燥、研磨、经325目筛网筛分后，得到所需多孔碳；
(2)纳米硅的制备：将中值粒径12μm、纯度为99.9％的硅粉1000g和异丙醇加入砂磨机的分散罐中，控制混合溶液固含量是30％，再加入助磨剂柠檬酸钾，柠檬酸钾与硅粉的质量比是7:100，开启搅拌30分钟；研磨珠的材质是不锈钢，研磨珠与硅粉的质量比是20:1；将搅拌罐中的混合溶液导入到砂磨机中，砂磨机的线速度14.5m/s，研磨时间为41h，得到硅浆液；通过氧氮氢分析仪检测得到硅浆液中硅氧颗粒的氧元素的质量含量为16％，若用通式SiOX表示，其x值为0.190；通过Mastersizer 3000粒度分析仪检测得到硅氧颗粒的中值粒径为95nm；通过X射线衍射图案分析得到纳米硅的晶粒为9.9nm；
(3)含硅负极材料的制备：将步骤(1)中所得的多孔碳595g加入到步骤(2)中的硅浆液，搅拌均匀后进行干燥，得到干粉，将此干粉和沥青按一定比例混合均匀，再放入箱式炉中进行煅烧，期间通入氮气进行保护，烧结温度为700℃，烧结时间为1h，控制沥青裂解碳占总质量的40％，得到含硅负极材料；
所述负极材料中含有40wt.％的硅氧颗粒、20wt％的多孔碳和40wt％的包覆碳。
实施例4
(1)多孔碳的制备：将中值粒径为2μm的酚醛树脂和浓硫酸按质量比1：0.1，加入到纯水溶液中，缓慢搅拌10h后，用去离子水充分洗涤至中性，再进行烘干；将烘干后的粉料加入到箱式炉中，先通入氮气进行赶氧直到炉膛中的氧含量低于300ppm，再以3℃/min的升温速率升温至1000℃，升温过程通入水蒸气，控制氮气和水蒸气的流量比为4:1，反应1h，冷却后得到块状的多孔碳，再经研磨和325目筛网筛分后，得到所需多孔碳；
(2)纳米硅的制备：将中值粒径20μm、纯度为99％的硅粉1000g和甲醇加入砂磨机的分散罐中，控制混合溶液固含量是30％，再加入助磨剂十八酸钠，十八酸钠与硅粉的质量比是10:100，开启搅拌30分钟；研磨珠的材质是陶瓷，研磨珠与硅粉的质量比是10:1；将搅拌罐中的混合溶液导入到砂磨机中，砂磨机的线速度14.5m/s，研磨时间为28h，得到硅浆液；通过氧氮氢分析仪检测得到硅浆液中硅氧颗粒的氧元素的质量含量为11％，若用通式SiOX表示，其x值为0.123；通过Mastersizer 3000粒度分析仪检测得到硅氧颗粒的中值粒径为109nm；通过X射线衍射图案分析得到纳米硅的晶粒为11.7nm；
(3)含硅负极材料的制备：将步骤(1)中所得的多孔碳1500g加入到步骤(2)中的硅浆液，搅拌均匀后进行干燥，得到干粉，将此干粉和环氧树脂按一定比例混合均匀，再放入箱式炉中进行煅烧，期间通入氮气进行保护，烧结温度为800℃，烧结时间为1h，控制环氧树脂裂解碳占总质量的30％，得到含硅负极材料；
所述负极材料中含有30wt.％的硅氧颗粒、40wt％的多孔碳和30wt％的包覆碳。
对比例1
与实施例1的区别在于不进行步骤(1)和步骤(3)，即不加入多孔碳，其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例2
与实施例1的区别在于步骤(2)中，微米硅粉不进行纳米化，其余同实施例1，这里不再赘述。
通过测试得到：硅氧颗粒的氧元素的质量含量为0.17％，若用通式SiOX表示，其x值为0.0017；硅氧颗粒的中值粒径为1μm；通过X射线衍射图案分析得到纳米硅的晶粒为134nm。
对比例3
与实施例1的区别在于不进行步骤(3)，即不进行碳包覆，其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例4
与实施例1的区别在于，将葡萄糖的烧结温度提高到1200℃，使得形成的多孔碳中的孔隙增大，同时提高多孔碳的质量占比到50wt％，得到的含硅负极材料的孔隙率为61体积％，其余同实施例1，这里不再赘述。
对比例5
与实施例1的区别在于步骤(3)中，将甲烷气相沉积的流量提高到6L/min，使得包覆碳层的平均厚度为3000～5000nm，其余同实施例1，这里不再赘述。
采用以下方法对实施例1至4和对比例1至5中含硅负极材料进行测试：
采用马尔文激光粒度仪Mastersizer 3000测试材料的粒径范围。
采用场发射扫描电镜(SEM)(JSM-7160)分析材料的形貌和图形处理。
采用氩离子切割仪(IB-19530CP)制备负极材料的横截面平面样品，用于SEM成像观察及显微分析。
采用氧氮氢分析仪(ONH)精准、快速的测定材料中的氧元素含量。
采用XRD衍射仪(X’Pert3Powder)对材料进行物相分析，确定材料的晶粒尺寸。
采用场发射型透射电子显微镜(TEM)(JEM-F200)分析材料的形貌、无定型碳的状态以及碳包覆的厚度。
采用美国麦克比表与孔隙分析仪(TriStar II 3020)测定负极材料的比表面积和孔隙率。
检测到实施例1-4所述含硅负极材料的比表面积为2～20m2/g；所述含硅负极材料的中值粒径D50为5～17μm。
通过TEM对整个复合材料进行扫描，测得负极材料的表层部分被碳层覆盖，包覆碳层的厚度为10～1000nm。
将实施例1至4和对比例1至5中得到含硅负极材料，按负极材料、导电剂炭黑(Super P)、碳纳米管和LA133胶按质量比91:2:2:5混合在溶剂纯水中，进行匀浆，控制固含量在45％，涂覆于铜箔集流体上，真空烘干、制得负极极片。在氩气气氛手套箱中组装扣式电池，所用隔膜为Celgard2400，电解液为1mol/L的LiPF6/EC+DMC+EMC(v/v＝1:1:1)，对电极是金属锂片。对扣式电池进行充放电测试，电压区间是5mV～1.5V，电流密度为80mA/g。测得实施例和对比例中含硅负极材料的首次可逆容量和效率。
根据扣式电池中实测的首次可逆容量，将实施例和对比例中的含硅负极材料与同一款稳定的人造石墨进行混合，混合后粉末的扣式电池测试的首次可逆容量为420±2mAh/g。将混合后的粉末按扣式电池工艺制备负极极片，正极为成熟工艺制备的三元极片、隔离膜和电极液不变，组装成18650圆柱单体电池。对18650圆柱单体电池进行充放电测试，电压区间是2.5mV～4.2V，电流密度为420mA/g。
扣式电池和18650圆柱单体电池的测试设备均为武汉金诺电子有限公司的LAND电池测试系统。
实施例1至4与对比例1至5的硅氧颗粒和含硅负极材料性能测试结果：
表1实施例1至4与对比例1至5中的含硅负极材料的性能测试数据：
Figure BDA0002570606440000071
Figure BDA0002570606440000081
由表1可见，采用本申请所述方法制备的含硅负极材料，将硅氧颗粒、多孔碳和包覆碳结合，具有优秀的电化学性能。实施例1-4中，含硅负极材料具有较高的首次可逆容量(1576.2～1963.3mAh/g)和首次效率(84.4～85.9％)，同时具有优秀的循环性能(18650圆柱单体电池&420容量，600周循环保持率为88.6％)和倍率性能(18650圆柱单体电池&420容量，5C放电容量保持率为92.8％)。
对比例1中，含硅负极材料中不加入多孔碳时，虽其首次可逆容量发挥较高，但首次效率、循环性能和倍率性能明显变差；对比例2中，微米硅粉不进行纳米化，得到的含硅负极材料的首次可逆容量(1632.9mAh/g)和首次库伦效率明显较差(62.1％)，而且用该含硅负极材料制备的电池的循环性能和倍率性能明显恶化；对比例3中，不进行碳包覆，得到的含硅负极材料的首次效率太低(69.3％)，同时循环性能和倍率性能也明显下降；对比例4中，通过调整工艺，使含硅负极材料的孔隙率为61体积％，孔隙率不在本发明范围，得到的含硅负极材料的首次效率下降，为81.3％，循环性能也较差，为84.7％；对比例5中，包覆碳层的平均厚度为3000～5000nm，不在本发明范围，包覆层过厚会增大负极材料的阻抗，得到的含硅负极材料的首次可逆容量、首次效率、循环性能和倍率性能都有一定的下降。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、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。

Claims (10)

1.一种锂离子电池用含硅负极材料，其特征在于：所述负极材料包含硅氧颗粒、多孔碳和包覆碳；所述负极材料中含有30％～60wt.％的硅氧颗粒，优选40％～50wt.％；10wt％～40wt％的多孔碳，优选20wt％～30wt％；10wt％～40wt％的包覆碳，优选20wt％～30wt％。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含硅负极材料，其特征在于：所述含硅负极材料的比表面积为2～20m2/g；所述含硅负极材料的中值粒径D50为5～17μm。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含硅负极材料，其特征在于：所述硅氧颗粒可用SiOX表示，其中0＜x＜0.5；所述多孔碳材料在负极材料内部与硅氧颗粒结合，形成的孔隙率为10～50体积％；所述负极材料的表层部分被碳层覆盖，包覆碳层的平均厚度为10～1000nm。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含硅负极材料，其特征在于：所述硅氧颗粒的中值粒径在100nm以下；所述硅氧颗粒通过X射线衍射图案分析，根据2θ＝28.4°附近的归属于Si(111)的衍射峰的半峰宽值，由Scherrer式计算出硅晶粒为5～12nm。
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含硅负极材料，其特征在于：所述硅氧颗粒通过如下方法制备得到：将中值粒径为1～200μm、纯度＞99％的硅粉和研磨溶剂加入砂磨机的分散罐中，控制混合溶液固含量是10～30％，再加入助磨剂，助磨剂与多孔硅粉的质量比是(1～10)：100，搅拌均匀，研磨珠的材质选自硅酸锆、氧化铝、不锈钢、玛瑙、陶瓷、氧化锆和硬质合金中的一种，研磨珠与硅粉的质量比是(10～30):1，将搅拌罐中的混合溶液导入到砂磨机中，砂磨机的线速度＞14m/s，研磨时间为20～120h，优选30～50h，得到硅浆液；
所述湿法研磨设备为砂磨机，砂磨机搅拌轴的结构形状为盘式，棒式或棒盘式中的一种；
所述研磨溶剂为甲醇、苯甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙二醇、丁醇、正丁醇、异丁醇、戊醇、新戊醇、辛醇中的一种或多种；醇类溶剂的纯度≥99％；
所述研磨助磨剂为氯化铝、聚合醇胺、三乙醇胺、三异丙醇胺、焦磷酸钠、三聚磷酸钠、丙烯酸钠、十八酸钠、聚丙烯酸钠、亚甲基双萘磺酸钠、柠檬酸钾、环烷酸铅、亚甲基双萘磺酸钠、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物或古尔胶中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含硅负极材料，其特征在于：所述多孔碳在负极材料内部形成的孔隙的平均尺寸为10～100nm。
7.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含硅负极材料，其特征在于：所述多孔碳在负极材料内部形成的孔隙是不规则形状。
8.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含硅负极材料，其特征在于：所述多孔结构是含碳物质在高温状态分解形成，分解温度为300～1000℃，分解过程是在氮气、氩气、氦气、二氧化碳、水蒸汽、氧气中的一种或组合中进行；所述含碳物质没有特殊的限定，优选葡萄糖、石油、煤、酚醛树脂、植物为原料提取、加工而成的含碳物质，可以是高分子合成的含碳物质。
9.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含硅负极材料，其特征在于：所述包覆碳包括气相碳源高温分解形成的碳和固相碳源高温煅烧后的残留碳，高温反应均在惰性气氛中进行；所述惰性气体为氮气；
所述气相碳源包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙酮、丁烷、丁烯、戊烷、己烷、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、萘、苯酚、呋喃、吡啶、蒽、液化气中的一种；
所述固相碳源包括沥青、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、丙烯酸树脂、聚氯乙烯树脂、聚醚聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、甲醛树脂中的一种；
高温为600～1000℃，优选700～800℃。
10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池负极材料为权利要求1-9任一项所述的锂离子电池用含硅负极材料。
CN202010639948.7A 2020-07-06 2020-07-06 一种锂离子电池用含硅负极材料及其制备方法 Pending CN111755683A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010639948.7A CN111755683A (zh) 2020-07-06 2020-07-06 一种锂离子电池用含硅负极材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010639948.7A CN111755683A (zh) 2020-07-06 2020-07-06 一种锂离子电池用含硅负极材料及其制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111755683A true CN111755683A (zh) 2020-10-09

Family

ID=72679443

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010639948.7A Pending CN111755683A (zh) 2020-07-06 2020-07-06 一种锂离子电池用含硅负极材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111755683A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114068891A (zh) * 2021-02-20 2022-02-18 贝特瑞新材料集团股份有限公司 硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池
CN114520313A (zh) * 2020-11-20 2022-05-20 华为技术有限公司 一种硅碳复合材料及其制备方法和应用
CN114792782A (zh) * 2021-01-25 2022-07-26 兰溪致德新能源材料有限公司 一种低膨胀硅负极材料
CN116161665A (zh) * 2023-02-28 2023-05-26 赣州市瑞富特科技有限公司 一种多孔硅/氧化铝/非晶碳复合材料的制备方法及其在锂离子电池中的应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102214817A (zh) * 2010-04-09 2011-10-12 清华大学 一种碳/硅/碳纳米复合结构负极材料及其制备方法
CN104577045A (zh) * 2014-12-20 2015-04-29 江西正拓新能源科技股份有限公司 一种锂离子电池硅-碳复合材料及其制备方法
CN106410155A (zh) * 2016-10-28 2017-02-15 林天安 一种石墨烯硅氧碳负极材料的制备方法
CN107293700A (zh) * 2016-03-31 2017-10-24 比亚迪股份有限公司 一种锂离子电池负极活性材料及其制备方法、负极和电池
CN110400930A (zh) * 2019-08-15 2019-11-01 马鞍山科达普锐能源科技有限公司 一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法
CN110504430A (zh) * 2019-08-28 2019-11-26 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法
CN111146430A (zh) * 2020-02-10 2020-05-12 马鞍山科达普锐能源科技有限公司 一种锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料的及其制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102214817A (zh) * 2010-04-09 2011-10-12 清华大学 一种碳/硅/碳纳米复合结构负极材料及其制备方法
CN104577045A (zh) * 2014-12-20 2015-04-29 江西正拓新能源科技股份有限公司 一种锂离子电池硅-碳复合材料及其制备方法
CN107293700A (zh) * 2016-03-31 2017-10-24 比亚迪股份有限公司 一种锂离子电池负极活性材料及其制备方法、负极和电池
CN106410155A (zh) * 2016-10-28 2017-02-15 林天安 一种石墨烯硅氧碳负极材料的制备方法
CN110400930A (zh) * 2019-08-15 2019-11-01 马鞍山科达普锐能源科技有限公司 一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法
CN110504430A (zh) * 2019-08-28 2019-11-26 陕西煤业化工技术研究院有限责任公司 一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法
CN111146430A (zh) * 2020-02-10 2020-05-12 马鞍山科达普锐能源科技有限公司 一种锂离子电池用多孔核壳结构硅碳负极材料的及其制备方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114520313A (zh) * 2020-11-20 2022-05-20 华为技术有限公司 一种硅碳复合材料及其制备方法和应用
WO2022105279A1 (zh) * 2020-11-20 2022-05-27 华为技术有限公司 一种硅碳复合材料及其制备方法和应用
CN114792782A (zh) * 2021-01-25 2022-07-26 兰溪致德新能源材料有限公司 一种低膨胀硅负极材料
CN114068891A (zh) * 2021-02-20 2022-02-18 贝特瑞新材料集团股份有限公司 硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池
CN114068891B (zh) * 2021-02-20 2022-11-15 贝特瑞新材料集团股份有限公司 硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池
CN116161665A (zh) * 2023-02-28 2023-05-26 赣州市瑞富特科技有限公司 一种多孔硅/氧化铝/非晶碳复合材料的制备方法及其在锂离子电池中的应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111755684B (zh) 一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法
CN111525110B (zh) 一种硅基复合负极材料及其制备方法和应用
CN111755683A (zh) 一种锂离子电池用含硅负极材料及其制备方法
CN111628162B (zh) 一种锂离子电池用多孔硅负极材料及其制备方法
CN111755677B (zh) 一种锂离子电池用核壳结构多孔硅负极材料及其制备方法
CN112687852B (zh) 硅氧锂颗粒及其制备方法、负极材料、极片和电池
EP3104438B1 (en) Negative electrode material for lithium ion secondary battery, negative electrode, and lithium ion secondary battery
EP4220764A1 (en) Silicon-based particle having core-shell structure and preparation method therefor, negative electrode material, electrode plate, and battery
EP3955345A1 (en) Silicon-oxygen particle for electrode material, preparation method therefor and use thereof
CN108232141B (zh) 一种高压实的锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法
CN112635727A (zh) 具有核壳结构的硅氧颗粒及其制备方法、负极材料、电池
CN112687853B (zh) 硅氧颗粒团聚体及其制备方法、负极材料、电池
CN114982009B (zh) 负极材料、负极极片及包含其的电化学装置及电子装置
WO2023124603A1 (zh) 负极活性材料及其制备方法、电极、电池
CN111755676A (zh) 一种锂离子电池用硅合金负极材料及其制备方法
CN115425222A (zh) 硅基负极材料及其制备方法及包含它的锂离子电池
CN113314703B (zh) 一种负极材料及其制备方法与用途
CN112928246A (zh) 一种复合材料、其制备方法及应用
CN103996833A (zh) 一种锂离子电池用改性硬炭微球负极材料及其制备方法
CN112687851A (zh) 硅氧颗粒及其制备方法、负极材料和电池
CN117712313A (zh) 煤基多孔硅碳复合负极材料及其制备方法
WO2023165415A1 (zh) 一种负极活性材料及其制备方法和应用
CN112968169A (zh) 一种锂离子电池用复合负极材料及其制备方法
CN114695847A (zh) 一种具有多孔包覆层的硅负极材料及其制备方法
CN111900352A (zh) 一种钛酸锂硅基复合负极材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201009