CN112661132A - 一种硅基复合负极材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅基复合负极材料及其制备方法，属于锂电池负极材料技术领域。所述硅基复合负极材料具有凹陷状结构或褶皱状结构，其粒径为10～15μm，其中所含纳米Si组分或纳米SiOx组分的粒径不大于50nm。所述硅基复合负极材料的制备方法通过采用磁控溅射技术，同时借助有机脱离层，实现具有类石墨碳包覆的小粒径纳米硅基材料的制备，同时保持良好分散和抗氧化性能；并以此作为硅源进一步通过喷雾干燥、烧结等工艺实现高容量硅基负极材料的制备。该方法制备的负极材料结构稳定、循环稳定性好。本发明有效解决了当前硅基负极材料脱嵌锂过程中的体积膨胀及纳米硅基材料制备中小粒径和分散性难以兼顾的问题。

Description

一种硅基复合负极材料及其制备方法

技术领域

本发明属于锂电池负极材料技术领域，涉及一种硅基复合负极材料及其制备方法。

背景技术

随着新能源领域对电池能量密度要求的逐渐提高，作为电池能量密度提升最有效的手段——负极材料性能提升受到研究机构、各大厂商的关注。相比于石墨负极，硅基负极具有约11倍的理论质量比容量，且来源广泛，但其在脱嵌锂过程中较大的体积膨胀(300％)，使材料稳定性及电池循环性能受到极大限制。

为了解决这一问题，通常对硅或含硅材料进行纳米化以抑制其膨胀，包括零维纳米颗粒、一维纳米线、二维纳米薄膜等方式，其中以纳米颗粒最优，但其粒径、分散性及抗氧化的平衡和兼容是目前较难解决的问题。将纳米硅与碳材料进行复合，可以很好的限制硅的膨胀，并提高导电性。通常纳米硅基颗粒通过砂磨工艺实现，由于纳米材料的团聚特性，很难实现良好分散。本发明提出采用磁控溅射技术制备类石墨碳与纳米硅基材料的“三明治”复合薄膜，并进一步将其剥离和纳米化，由于纳米硅颗粒表面被类石墨碳包覆，避免了颗粒之间的的团聚，可以达到良好的分散效果。通过喷雾造粒的方式，将纳米硅基颗粒与碳源进一步复合制备凹陷状硅碳材料，凹陷处为纳米硅基材料膨胀预留了空间，可以显著的降低极片的膨胀。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基复合负极材料及其制备方法，解决了当前硅基负极材料脱嵌锂过程中的体积膨胀及纳米硅基材料制备中小粒径和分散性难以兼顾的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种硅基复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)采用磁控溅射技术，在附着有机脱离层的衬底上依次沉积类石墨碳、纳米Si或SiOx和类石墨碳，得到类石墨碳-硅基材料-类石墨碳叠层薄膜；

2)将所得类石墨碳-纳米硅基材料-类石墨碳叠层薄膜进行剥离粉碎后，进行湿法研磨，得到研磨混合物，向所得研磨混合物中加入有机碳源后混合均匀，得到含有类石墨碳包覆的纳米Si组分或纳米SiOx组分的复合材料浆液；

3)将所得复合材料浆液进行喷雾造粒，得到复合颗粒，将所得复合颗粒在惰性气氛下进行煅烧，得到初级产物，采用CVD技术将所得初级产物进行气相包覆，得到硅基复合负极材料。

优选地，步骤1)中，Si以硅靶为靶源进行直流溅射，SiOx以氧化亚硅靶为靶源进行中频或者射频溅射；其中，硅靶为P或N型掺杂靶。

优选地，步骤1)中，衬底为PET薄膜或PI薄膜。

优选地，步骤1)中，有机脱离层为聚乙烯基乙醇、聚乙烯氧化物、甲基丙基羟基纤维素中的一种或几种组成的复合物。

优选地，步骤1)中，类石墨碳-硅基-叠层薄膜的厚度30～100nm，其中硅基的层厚度为10～50nm。

优选地，步骤2)中，有机碳源为淀粉、柠檬酸、酚醛树脂、沥青和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种的混合物。

优选地，步骤2)中，湿法研磨的溶剂为酒精、水、四氢呋喃、异丙醇中的一种或几种的混合物；湿法研磨采用0.1mm氧化锆珠、研磨时间为1～2h。

优选地，步骤3)中，喷雾造粒的入口温度为150～200℃，出口温度为70～90℃。

优选地，步骤3)中，煅烧温度为750～1000℃，煅烧时间为2～10h。

优选地，步骤3)中，气相包覆的包覆气体为乙炔、甲烷、丙烯中的一种或几种的混合气，包覆温度为800～1000℃。

本发明还公开了采用上述制备方法制得的硅基复合负极材料。

优选地，所述硅基复合负极材料具有凹陷状结构或褶皱状结构，其粒径为10～15μm。

优选地，所述硅基复合负极材料中所含纳米Si组分或纳米SiOx组分的粒径不大于50nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种硅基复合负极材料的制备方法，通过采用磁控溅射技术，同时借助有机脱离层，实现小粒径纳米硅基材料(包括纳米Si组分或纳米SiOx组分)的制备，同时保持良好分散和抗氧化性能；并以此作为硅源进一步通过喷雾造粒、烧结等工艺实现高容量硅基负极材料的制备。其中，通过采用磁控溅射技术，制备具有“三明治”结构硅基类石墨碳复合结构即类石墨碳-纳米硅基材料-类石墨碳叠层薄膜，实现了类石墨碳对纳米Si或纳米SiOx的包覆，避免后续球磨过程中对纳米硅基材料的氧化和团聚，同时保证了砂磨粒子具有良好的分散性。

进一步地，经相关检测结果表明，本发明得到的类石墨碳-纳米硅基材料-类石墨碳叠层薄膜厚度30～100nm，兼具小粒径、良好分散和抗氧化性能。

本发明还公开了采用上述制备方法制得的硅基复合负极材料，在所述硅基复合负极材料中，是通过将类石墨碳-纳米硅基材料-类石墨碳叠层薄膜剥离粉碎后得到的叠层薄片与碳源复合，通过喷雾造粒的方式获得凹陷状形貌颗粒，该形状结构能够为其膨胀预留空间，提高材料的结构稳定性和电池的循环稳定性。因此，本发明对硅膨胀的限制使得可以通过进一步提高纳米Si组分或纳米SiOx组分在材料中的占比以提高负极材料比容量，获得兼具容量和循环性能的负极材料。

附图说明

图1为本发明的硅基复合负极材料的SEM图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明公开的一种硅基复合负极材料，所述硅基复合负极材料具有多面凹陷/褶皱状形貌，由纳米Si组分或纳米SiOx组分和碳材料复合而成，所述纳米硅基复合薄片粒径在30～100nm，所述硅基复合负极材料的粒径为10～15μm。其具体形貌结构如图1所示，由图中可知颗粒具有明显的多面凹陷结构，该结构可以为有效的缓解充放电过程中纳米硅基材料的膨胀，。

本发明还公开了上述硅基复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)类石墨碳-纳米硅基材料-类石墨碳叠层薄膜制备：采用磁控溅射技术，在附着有机脱离层的衬底上溅射沉积依次溅射沉积类石墨碳(G)-纳米硅基材料(Si/SiOx)-类石墨碳(G)的“三明治”叠层薄膜；

(2)复合材料浆液的制备：将所述纳米“三明治”复合薄膜即类石墨碳(G)-纳米硅基材料(Si/SiOx)-类石墨碳(G)叠层薄膜进行剥离粉碎，并分散在溶剂中，在球磨机中进行湿法研磨，达到一定粒度后，加入有机碳源混合搅拌，得到复合材料浆液；

(3)硅基复合负极材料的制备：将所述复合材料浆液进行喷雾造粒，然后在惰性气氛下进行煅烧，得到硅基复合负极材材料的初级产品，进一步通过CVD进行气相包覆得到硅基复合负极材料。

所述步骤(1)中Si/SiOx层是以硅靶/氧化亚硅靶为靶源，所述硅靶为P或N型掺杂靶，采用直流溅射，氧化亚硅采用中频或者射频溅射。

所述步骤(1)中衬底材料为PET或PI薄膜，有机脱离层为聚乙烯基乙醇、聚乙烯氧化物、甲基丙基羟基纤维素、其中的一种或几种的复合物。

所述步骤(1)中溅射所得的纳米“三明治”叠层薄膜厚度为30～100nm，其中Si/SiOx层厚度为10～50nm；

所述步骤(2)中溶剂为酒精、水、四氢呋喃、异丙醇中的一种或几种的组合物；

所述步骤(2)中有机碳源为淀粉、柠檬酸、酚醛树脂、沥青和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种的组合物；

所述步骤(2)中湿法研磨采用0.1mm氧化锆珠、砂磨时间为1～2h；

所述步骤(3)中喷雾造粒的入口温度为150～200℃，出口温度为70～90℃；

所述步骤(3)中煅烧温度为750～1000℃，煅烧时间为2～10h。

所述步骤(3)中惰性气氛为为氮气、氦气和氩气中的一种。

所述步骤(4)中CVD包覆气体为乙炔、甲烷、丙烯中的一种或几种的混合气，包覆温度为800～1000℃。

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

(1)纳米Si/SiOx和类石墨碳复合薄膜制备：采用磁控溅射技术，在附着有机脱离层的衬底上溅射沉积依次溅射沉积类石墨碳/纳米Si/类石墨碳的“三明治”叠层薄膜，叠层厚度依次为5-20-5nm；衬底为PET薄膜，有机脱离层为聚乙烯基乙醇。

(2)纳米Si浆液的制备：将所述纳米“三明治”复合薄膜进行剥离粉碎，并分散在乙醇溶剂中，在球磨机中进行湿法研磨，中值粒度达到50nm，加入沥青和PVP混合搅拌，得到复合材料浆液，调整浆料固含量为5％。

(3)纳米硅基复合负极材料的制备：将所述复合材料浆液进行喷雾造粒，入口温度为170℃，出口温度为70℃，得到黑色粉末。将黑色粉末在惰性气氛下进行煅烧，煅烧温度为900℃，时间为3h，得到硅基复合负极材材料初级产物，进一步通过CVD进行气相包覆得到硅基复合负极材料，其中包覆气体为乙炔，包覆温度为850℃。

所述硅基复合负极材料具有多面凹陷状结构或褶皱状结构，其粒径为12μm，其中所含纳米Si组分的粒径不大于50nm。

实施例2

(1)纳米Si/SiOx和类石墨碳复合薄膜制备：采用磁控溅射技术，在附着有机脱离层的衬底上溅射沉积依次溅射沉积类石墨碳/SiOx/类石墨碳的“三明治”叠层薄膜，叠层厚度依次为5-30-5nm；衬底为PET薄膜，有机脱离层为聚乙烯氧化物。

(2)纳米Si浆液的制备：将所述纳米“三明治”复合薄膜进行剥离粉碎，并分散在乙醇溶剂中，在球磨机中进行湿法研磨，粒度达到60nm，加入沥青和PVP混合搅拌，得到复合材料浆液，调整浆料固含量为10％。

(3)纳米硅基复合负极材料的制备：将所述复合材料浆液进行喷雾造粒，入口温度为180℃，出口温度为80℃，得到黑色粉末。将黑色粉末在惰性气氛下进行煅烧，煅烧温度为950℃，时间为3h，得到硅基复合负极材材料初级产物，进一步通过CVD进行气相包覆得到硅基复合负极材料，其中包覆气体为乙炔，包覆温度为850℃。

所述硅基复合负极材料具有凹陷状结构或褶皱状结构，其粒径为13μm，其中所含纳米Si组分的粒径不大于50nm。

实施例3

(1)纳米Si/SiOx和类石墨碳复合薄膜制备：采用磁控溅射技术，在附着有机脱离层的衬底上溅射沉积依次溅射沉积G-SiOx/Si/SiOx-G的“三明治”叠层薄膜，叠层厚度依次为5-5/20/5-5nm；衬底为PET薄膜，有机脱离层为甲基丙基羟基纤维素。

(2)纳米Si浆液的制备：将所述纳米“三明治”复合薄膜进行剥离粉碎，并分散在乙醇溶剂中，在球磨机中进行湿法研磨，粒度达到50nm，加入沥青混合搅拌，得到复合材料浆液，调整浆料固含量为10％。

(3)纳米硅基复合负极材料的制备：将所述复合材料浆液进行喷雾造粒，入口温度为200℃，出口温度为80℃，得到黑色粉末。将黑色粉末在惰性气氛下进行煅烧，煅烧温度为950℃，时间为3h，得到硅基复合负极材材料初级产物，进一步通过CVD进行气相包覆得到硅基复合负极材料，其中包覆气体为乙炔，包覆温度为1000℃。

所述硅基复合负极材料具有凹陷状结构或褶皱状结构，其粒径为11μm，其中所含纳米Si组分的粒径不大于50nm。

实施例4

(1)纳米Si/SiOx和类石墨碳复合薄膜制备：采用磁控溅射技术，在附着有机脱离层的衬底上溅射沉积依次溅射沉积类石墨碳/纳米Si/类石墨碳的“三明治”叠层薄膜，叠层厚度依次为25-50-25nm；衬底为PI薄膜，有机脱离层为聚乙烯基乙醇和聚乙烯氧化物组成的复合物。

(2)纳米Si浆液的制备：将所述纳米“三明治”复合薄膜进行剥离粉碎，并分散在乙醇溶剂中，在球磨机中进行湿法研磨，中值粒度达到210nm，加入淀粉混合搅拌，得到复合材料浆液，调整浆料固含量为15％。

(3)纳米硅基复合负极材料的制备：将所述复合材料浆液进行喷雾造粒，入口温度为185℃，出口温度为90℃，得到黑色粉末。将黑色粉末在惰性气氛下进行煅烧，煅烧温度为1000℃，时间为7h，得到硅基复合负极材材料初级产物，进一步通过CVD进行气相包覆得到硅基复合负极材料，其中包覆气体为丙烯，包覆温度为1000℃。

所述硅基复合负极材料具有凹陷状结构或褶皱状结构，其粒径为15μm，其中所含纳米Si组分的粒径不大于50nm。

实施例5

(1)纳米Si/SiOx和类石墨碳复合薄膜制备：采用磁控溅射技术，在附着有机脱离层的衬底上溅射沉积依次溅射沉积类石墨碳/SiOx/类石墨碳的“三明治”叠层薄膜，叠层厚度依次为20-10-20nm；衬底为PI薄膜，有机脱离层为聚乙烯基乙醇和甲基丙基羟基纤维素组成的复合物。

(2)纳米Si浆液的制备：将所述纳米“三明治”复合薄膜进行剥离粉碎，并分散在乙醇溶剂中，在球磨机中进行湿法研磨，粒度达到120nm，加入柠檬酸和聚乙烯吡咯烷酮的混合物后混合搅拌，得到复合材料浆液，调整浆料固含量为12％。

(3)纳米硅基复合负极材料的制备：将所述复合材料浆液进行喷雾造粒，入口温度为150℃，出口温度为75℃，得到黑色粉末。将黑色粉末在惰性气氛下进行煅烧，煅烧温度为750℃，时间为2h，得到硅基复合负极材材料初级产物，进一步通过CVD进行气相包覆得到硅基复合负极材料，其中包覆气体为甲烷，包覆温度为800℃。

所述硅基复合负极材料具有凹陷状结构或褶皱状结构，其粒径为11μm，其中所含纳米Si组分的粒径不大于50nm。

实施例6

(1)纳米Si/SiOx和类石墨碳复合薄膜制备：采用磁控溅射技术，在附着有机脱离层的衬底上溅射沉积依次溅射沉积G-SiOx/Si/SiOx-G的“三明治”叠层薄膜，叠层厚度依次为10-10/20/10-10nm；衬底为PI薄膜，有机脱离层聚乙烯氧化物和甲基丙基羟基纤维素组成的复合物。

(2)纳米Si浆液的制备：将所述纳米“三明治”复合薄膜进行剥离粉碎，并分散在乙醇溶剂中，在球磨机中进行湿法研磨，粒度达到180nm，加入酚醛树脂混合搅拌，得到复合材料浆液，调整浆料固含量为10％。

(3)纳米硅基复合负极材料的制备：将所述复合材料浆液进行喷雾造粒，入口温度为200℃，出口温度为70℃，得到黑色粉末。将黑色粉末在惰性气氛下进行煅烧，煅烧温度为800℃，时间为10h，得到硅基复合负极材材料初级产物，进一步通过CVD进行气相包覆得到硅基复合负极材料，其中包覆气体为甲烷和乙炔的混合气体，包覆温度为1000℃。

所述硅基复合负极材料具有凹陷状结构或褶皱状结构，其粒径为10μm，其中所含纳米Si组分的粒径不大于50nm。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用磁控溅射技术，在附着有机脱离层的衬底上依次沉积类石墨碳、纳米硅基材料和类石墨碳，得到类石墨碳-纳米硅基材料-类石墨碳叠层薄膜；

2)将所得类石墨碳-纳米硅基材料-类石墨碳叠层薄膜进行剥离粉碎后进行研磨，得到研磨混合物，向所得研磨混合物中加入有机碳源后混合均匀，得到含有类石墨碳包覆的纳米硅基材料组分的复合材料浆液；

3)将所得复合材料浆液进行造粒，得到复合颗粒，将所得复合颗粒在惰性气氛下进行煅烧，得到初级产物，将所得初级产物进行气相包覆，得到硅基复合负极材料。

2.根据权利要求1所述的硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，类石墨碳-纳米硅基材料-叠层薄膜的厚度30～100nm。

3.根据权利要求1所述的硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，类石墨碳-纳米硅基材料-叠层薄膜中，纳米硅基材料的层厚度为10～50nm。

4.根据权利要求1所述的硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，纳米硅基材料为纳米Si或纳米SiOx；步骤2)中，有机碳源为淀粉、柠檬酸、酚醛树脂、沥青和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种的混合物。

5.根据权利要求1所述的硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，采用喷雾造粒操作进行造粒，喷雾造粒的入口温度为150～200℃，出口温度为70～90℃。

6.根据权利要求1所述的硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，煅烧温度为750～1000℃，煅烧时间为2～10h。

7.根据权利要求1所述的硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，气相包覆的包覆气体为乙炔、甲烷、丙烯中的一种或几种的混合气。

8.根据权利要求1所述的硅基复合负极材料的制备方法，其特征在于，包覆温度为800～1000℃。

9.采用权利要求1～8任意一项所述制备方法制得的硅基复合负极材料。

10.根据权利要求9所述的硅基复合负极材料，其特征在于，所述硅基复合负极材料具有凹陷状结构或褶皱状结构，其粒径为10～15μm。

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