CN112820871A - 一种硅基负极材料及其制备方法 - Google Patents

一种硅基负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅基负极材料，所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层；在对该导电粉末进行热分析时，放热峰对应的温度为500‑750℃。本申请利用对硅碳负极材料DSC分析中，放热峰对应温度的控制，来间接控制碳层的力学性能，提高硅碳负极材料碳包覆层的力学性能，抑制嵌锂时膨胀，防止碳层破裂，进而提高电池循环稳定性。同时，对于碳包覆层的结构，建立简单、准确的表征方法，实现生产中对于碳层质量的实时监控。

Description

一种硅基负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种负极材料及其制备方法，尤其是一种电化学性能好的硅基负极材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着人类对电动汽车、便携式设备高性能和轻量化的要求日益提高，对于锂离子二次电池的能量密度提出了更高的要求。石墨是成熟的、传统的、应用最为普遍的商业化锂离子二次电池负极材料，在一代代锂电行业从业者的努力下，比容量已经接近了理论容量372mAh/g。下一代锂电池比容量的提升，迫切需要新一代高比容量负极材料的出现。因此，这使作为碳同主族的硅，作为新的负极材料受到了空前的关注，理论上一个Si原子最多可以结合4.4个Li，可以表现出高达4200mAh/g的比容量。也正因为如此高的锂容纳量，导致硅在嵌锂过程中有约300％的体积膨胀。充放电时负极材料有如此剧烈的体积效应，会使一部分活性物质脱离电接触，从而严重影响电池的寿命。
为了改善这个问题，研究者提出了多种解决思路，如通过纳米化、碳包覆、中空结构等，最大程度上抑制了硅的膨胀。由于硅纳米化的路线，存在着电解液过度反应、分散困难、成本升高等现实问题；有些研究者还是希望在微米尺度，实现硅负极材料在锂二次电池中的应用。一氧化硅(SiOX)是一种有非常有潜力的硅负极的改良产品，对于该材料的结构，研究者做了大量的研究，目前比较主流的研究结论，是结合了随机键合模型(RB)和随机混合模型(RM)两种的“界面团簇混合型”模型，在SiOX的微观结构中，存在尺寸小于2nm的Si团簇和SiO2团簇，在各种团簇的界面上为SiOX的过渡区域。该模型认为，在SiOX是由纳米级Si团簇、纳米SiO2团簇及围绕两者的SiOX过渡区域组成的。因此，若以SiOX作为负极材料，纳米级的Si团簇在被基体紧密包围，能够抑制嵌锂过程中的膨胀。然而这种设计还是不够的，一方面，SiOx极差的导电性，使其在负极材料中无法直接使用，需要包覆一层碳膜，降低接触电阻；另一方面，SiOx基体与电解液的直接接触，脱嵌锂时的不断膨胀和收缩，会引起材料粉化，同时会不断消耗电解液，需要碳包覆层缓冲膨胀、隔绝电解液。从而使硅基负极材料的商业化成为可能。碳层的结构和性质，对于硅碳负极材料的电化学性能，如容量、首次库伦效率、循环维持率，均有重要影响。
现有技术中，对于材料本身的关注点主要集中在SiOx基体。而碳层能够缓冲和容纳脱嵌锂时基体体积巨大变化，隔绝电解液；碳层的结构，乃至碳层结构所影响的碳层力学性能，对于硅碳负极材料的循环性能影响巨大。而现有技术中，只对碳层的导电性提出了改善措施，对于碳层的结构和力学性能缺乏控制和要求。碳层力学性能不佳，会导致所构成的二次电池循环稳定性欠佳，碳层破裂，容量衰减迅速、后期循环性能容易跳水。
发明内容
基于此，本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种电化学性能好的硅基负极材料。本申请利用对硅碳负极材料DSC分析中，放热峰对应温度的控制，来间接控制碳层的力学性能，提高硅碳负极材料碳包覆层的力学性能，抑制嵌锂时膨胀，防止碳层破裂，进而提高电池循环稳定性。同时，对于碳包覆层的结构，建立简单、准确的表征方法，实现生产中对于碳层质量的实时监控。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种硅基负极材料，所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层；在对该导电粉末进行热分析时，放热峰对应的温度为500-750℃。
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，具体步骤如下：
(1)仪器温度按照要求进行校准，校准温度精度在正负0.5摄氏度以内；校准热流性的精度正负0.5％摄氏度以内；
(2)称取约10mg硅碳负极材料，并记录；
(3)将试样和参比物分别放入各自样品容器中，并使之与试样容器有良好的热接触，将装有试样和参比物的样品容器一起放到加热装置中，并使之与热传感元件紧密接触；
(4)接通空气，并将气体流量控制在40ml/min的范围内；
(5)启动升温控制器，控制升温速率在10度/min，记录温差与温度T的关系曲线，即DSC曲线；
(6)取三次测定结果的平均值作为试验结果，三次测得的结果之间的差值应在精确范围内，不在精确范围内的不应采纳。
优选地,在对该导电粉末进行热分析时，放热峰对应的温度为600-750℃。
优选地,所述含硅化合物为SiOx，其中x的比例在0.7-1.5之间，同时，C在Si-O-C体系中所占元素摩尔比在1％-10％之间。
优选地，该含硅化合物颗粒粒径分布的D50介于1μm-10μm之间，碳包覆层的厚度为10nm-500nm。
厚度在此范围内具备较高的机械强度，同时具备较低的极化，不影响锂离子的正常嵌入和脱出。确保碳层具备和该含硅化合物粒径匹配的机械强度和导电性。
优选地，所述碳涂层的碳源气体为分子式中碳原子数不大于4的烷烃，或/和分子式中碳原子数不大于2的炔烃。由于烷烃中碳含量大于4则在标况下不是气体；分子式中碳原子数量大于2的炔烃使用成本较高，安全性较差。
同时，本发明还公开一种上述硅基负极材料的制备方法，所述方法为：将粒度分布均匀的含硅化合物粉体，置于反应炉内进行热解碳沉积。
优选地，沉积温度为600-1050℃，沉积时间为1-20小时。
此外，本发明还公开一种锂离子二次电池，包含上述的硅基负极材料。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明的硅基负极材料，具有优异的循环性能。本发明对于碳包覆层的较高同向度提出了明确要求，较高同向度为该碳包覆层整体虽然仍属于无定型碳，但是在透射电镜下观察为多层类石墨烯结构的碳层，确保碳层有更高的弹性模量和断裂强度，在基体脱嵌锂时，能够更好的抑制和容纳基体的膨胀，而保持不破裂，防止了电解液的过度消耗。
2、本发明能够简单、快速地对硅碳负极材料的包覆碳层力学性能进行评估，方便监控、调整生产工艺。通过DSC测试对碳层的氧化反应放热峰对应的温度进行监控，能够直观反映包覆碳层的力学性能。
附图说明
图1为硅基负极材料的DSC图；
图2为硅基负极材料的碳层结构图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述硅基负极材料的一种实施例，本实施例所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层，热分析测得放热峰对应温度为721摄氏度，碳层的同向度具有较高水平。
制备方法如下：
将市贩的D50约为5μm的SiO粉体500g装入回转炉内，使用旋片式真空泵将炉内真空度在100Pa，将炉温升高至980摄氏度，到达目标温度后，以500ml/min的速度通入甲烷和乙炔的混合气(摩尔比1:1)，并保持10小时，进行SiO基体的热解碳沉积。处理结束后得到约520g黑色粉末；
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，具体步骤如下：
(1)仪器温度按照要求进行校准，校准温度精度在正负0.5摄氏度以内；校准热流性的精度正负0.5％摄氏度以内；
(2)称取约10mg硅碳负极材料，并记录；
(3)将试样和参比物分别放入各自样品容器中，并使之与试样容器有良好的热接触，将装有试样和参比物的样品容器一起放到加热装置中，并使之与热传感元件紧密接触；
(4)接通空气，并将气体流量控制在40ml/min的范围内。
(5)启动升温控制器，控制升温速率在10度/min，记录温差与温度T的关系曲线，即DSC曲线。
(6)取三次测定结果的的平均值作为试验结果，三次测得的结果之间的差值应在精确范围内，不在精确范围内的不应采纳。
实施例2
本发明所述硅基负极材料的一种实施例，本实施例所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层，热分析测得放热峰对应温度为750摄氏度，碳层的同向度具有较高水平。
制备方法如下：
将市贩的D50约为4.6μm的SiO粉体500g装入回转炉内，使用旋片式真空泵将炉内真空度在100Pa，将炉温升高至1050摄氏度，到达目标温度后，以200ml/min的速度通入甲烷和乙炔的混合气(摩尔比1:1)，并保持16小时，进行SiO基体的热解碳沉积。处理结束后得到约520g黑色粉末；
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，分析方法与实施例1完全相同。
实施例3
本发明所述硅基负极材料的一种实施例，本实施例所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层，热分析测得放热峰对应温度为700摄氏度，碳层的同向度具有较高水平。
制备方法如下：
将市贩的D50约为6μm的SiO粉体500g装入回转炉内，使用旋片式真空泵将炉内真空度在100Pa，将炉温升高至1050摄氏度，到达目标温度后，以200ml/min的速度通入甲烷和乙炔的混合气(摩尔比1:1)，并保持6小时，进行SiO基体的热解碳沉积。处理结束后得到约520g黑色粉末；
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，分析方法与实施例1完全相同。
实施例4
本发明所述硅基负极材料的一种实施例，本实施例所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层，热分析测得放热峰对应温度为635摄氏度，碳层的同向度具有较高水平。
制备方法如下：
将市贩的D50约为6μm的SiO粉体500g装入回转炉内，使用旋片式真空泵将炉内真空度在100Pa，将炉温升高至1050摄氏度，到达目标温度后，以200ml/min的速度通入甲烷和乙炔的混合气(摩尔比1:1)，并保持6小时，进行SiO基体的热解碳沉积。处理结束后得到约520g黑色粉末；
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，分析方法与实施例1完全相同。
实施例5
本发明所述硅基负极材料的一种实施例，本实施例所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层，热分析测得放热峰对应温度为600摄氏度，碳层的同向度具有较高水平。
制备方法如下：
将市贩的D50约为4.6μm的SiO粉体500g装入回转炉内，使用旋片式真空泵将炉内真空度在100Pa，将炉温升高至950摄氏度，到达目标温度后，以500ml/min的速度通入甲烷和乙炔的混合气(摩尔比1:1)，并保持6小时，进行SiO基体的热解碳沉积。处理结束后得到约520g黑色粉末；
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，分析方法与实施例1完全相同。
实施例6
本发明所述硅基负极材料的一种实施例，本实施例所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层，热分析测得放热峰对应温度为577摄氏度，碳层的同向度具有较高水平。
制备方法如下：
将市贩的D50约为6μm的SiO粉体500g装入回转炉内，使用旋片式真空泵将炉内真空度在100Pa，将炉温升高至1000摄氏度，到达目标温度后，以500ml/min的速度通入甲烷和乙炔的混合气(摩尔比1:1)，并保持6小时，进行SiO基体的热解碳沉积。处理结束后得到约522g黑色粉末；
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，分析方法与实施例1完全相同。
实施例7
本发明所述硅基负极材料的一种实施例，本实施例所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层，热分析测得放热峰对应温度为536摄氏度，碳层的同向度具有较高水平。
制备方法如下：
将市贩的D50约为6μm的SiO粉体500g装入回转炉内，使用旋片式真空泵将炉内真空度在100Pa，将炉温升高至950摄氏度，到达目标温度后，以500ml/min的速度通入甲烷和乙炔的混合气(摩尔比1:1)，并保持6小时，进行SiO基体的热解碳沉积。处理结束后得到约511g黑色粉末；
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，分析方法与实施例1完全相同。
实施例8
本发明所述硅基负极材料的一种实施例，本实施例所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层，热分析测得放热峰对应温度为500摄氏度，碳层的同向度具有较高水平。
制备方法如下：
将市贩的D50约为6μm的SiO粉体500g装入回转炉内，使用旋片式真空泵将炉内真空度在100Pa，将炉温升高至930摄氏度，到达目标温度后，以1000ml/min的速度通入甲烷和乙炔的混合气(摩尔比1:1)，并保持6小时，进行SiO基体的热解碳沉积。处理结束后得到约522g黑色粉末；
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，分析方法与实施例1完全相同。
同时，本申请设置对比例1-3，对比例的制备检测方法如下：
对比例1
本发明所述硅基负极材料的一种对比例，本对比例所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层，热分析测得放热峰对应温度为450摄氏度，碳层的同向度较差。
制备方法如下：
将市贩的D50约为6μm的SiO粉体500g装入回转炉内，使用旋片式真空泵将炉内真空度在100Pa，将炉温升高至900摄氏度，到达目标温度后，以1000ml/min的速度通入苯和乙炔的混合气(摩尔比1:1)，并保持10小时，进行SiO基体的热解碳沉积。处理结束后得到约512g黑色粉末；
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，分析方法与实施例1完全相同。
对比例2
本发明所述硅基负极材料的一种对比例，本对比例所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层，热分析测得放热峰对应温度为420摄氏度，碳层的同向度较差。
制备方法如下：
将市贩的D50约为4.6μm的SiO粉体500g装入回转炉内，使用旋片式真空泵将炉内真空度在100Pa，将炉温升高至920摄氏度，到达目标温度后，以1000ml/min的速度通入乙炔，并保持10小时，进行SiO基体的热解碳沉积。处理结束后得到约519g黑色粉末；
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，分析方法与实施例1完全相同。
对比例3
本发明所述硅基负极材料的一种对比例，本对比例所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层，热分析测得放热峰对应温度为400摄氏度，碳层的同向度较差。
制备方法如下：
将市贩的D50约为4.6μm的SiO粉体500g装入回转炉内，使用旋片式真空泵将炉内真空度在100Pa，将炉温升高至850摄氏度，到达目标温度后，以2000ml/min的速度通入丙烷和乙炔的混合气(摩尔比1:1)，并保持20小时，进行SiO基体的热解碳沉积。处理结束后得到约524g黑色粉末；
碳沉积包覆后的材料，遵照国家标准GB T13464-2008的要求，进行热分析，分析方法与实施例1完全相同。
试验例DSC分析
分析测试结果如表1所示：
如附图1所示，图1为实施例1制备的导电粉末，做分析测试时，在升温过程中，DSC分析结果中会有一个放热峰，放热峰温度为721摄氏度。
对应着碳层的氧化反应C+O2(g)＝CO(g)或C+O2＝CO2(g)。放热峰对应的温度在500-750摄氏度之间，优选在600-750摄氏度。放热峰对应的温度高低，代表碳层的抗氧化能力强弱；抗氧化能力强的碳层，具有较高的放热峰温度。实施例2-8及对比例1-3制备的导电粉末，做分析测试时，图像走势与实施例1大致相同，仅放热峰温度不同，在此不一一赘述。
表1实施例和对比例的性能测试结果
Figure BDA0002877829600000101
由表1可知，实施例所述硅基负极材料，进行热分析测得放热峰对应温度为500-750摄氏度之间，碳层的同向度具有较高水平，经过50次循环后容量维持率均在70％以上，其中实施例1-3所述硅基负极材料，进行热分析测得放热峰对应温度为700-750摄氏度之间，经过50次循环后容量维持率均在90％以上；实施例4-5所述硅基负极材料，进行热分析测得放热峰对应温度为600-750摄氏度之间，经过50次循环后容量维持率均在80％以上；实施例6-8所述硅基负极材料，进行热分析测得放热峰对应温度为500-750摄氏度之间，经过50次循环后容量维持率均在70％以上。
对比例1-3所述硅基负极材料，进行热分析测得放热峰对应温度为500摄氏度以下，经过50次循环后容量维持率均在60％以下，效果不理想。
同时，碳层的结构决定材料的性能，如附图2所示的碳层结构，从左到右，碳层的定向度，或同向度不断提高，会导致抗氧化能力的提升。随着碳织构同向度的提升，晶体结构就越完整，碳网边缘高活性碳原子和碳网内部缺陷越少，碳的氧化反应的活化能会越高，抗氧化性能就越好。反过来讲，抗氧化性能强的碳层结构，反映碳层的同向度高，而同向度高的碳层，具有更高的弹性模量和断裂强度，在基体脱嵌锂时，能够更好的抑制和容纳基体的膨胀，而保持不破裂，防止了电解液的过度消耗，从而使材料具有更好的循环性能。因此，可以利用对硅碳负极材料DSC分析中，放热峰对应温度的控制，来间接影响碳层的力学性能，从而提升材料的循环性能。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种硅基负极材料，其特征在于，所述硅基负极材料包含如下颗粒的导电粉末，该颗粒包括含硅化合物及涂覆在含硅化合物表面的碳涂层；在对该导电粉末进行热分析时，放热峰对应的温度为500-750℃。
2.如权利要求1所述的硅基负极材料，其特征在于,在对该导电粉末进行热分析时，放热峰对应的温度为600-750℃。
3.如权利要求2所述的硅基负极材料，其特征在于,所述含硅化合物为SiOx，其中x的比例在0.7-1.5之间，同时，C在Si-O-C体系中所占元素摩尔比在1％-10％之间。
4.如权利要求3所述的硅基负极材料，其特征在于，该含硅化合物颗粒粒径分布的D50介于1μm-10μm之间，碳包覆层的厚度为10nm-500nm。
5.如权利要求1～4任一项所述的硅基负极材料，其特征在于,所述碳涂层的碳源气体为分子式中碳原子数不大于4的烷烃，或/和分子式中碳原子数不大于2的炔烃。
6.一种如权利要求1～5任一项所述的硅基负极材料的制备方法，其特征在于,所述方法为：将粒度分布均匀的含硅化合物粉体，置于反应炉内进行热解碳沉积。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于,沉积温度为600-1050℃，沉积时间为1-20小时。
8.一种锂离子二次电池，其特征在于，包含权利要求1～7任一项所述的硅基负极材料。
CN202011644581.4A 2020-12-31 2020-12-31 一种硅基负极材料及其制备方法 Pending CN112820871A (zh)

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