CN115064688A - 一种内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂电池负极材料领域,公开了一种内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,包括:(1)将纳米硅粉进行分散,取处理后的纳米硅粉100重量份,加入溶剂和分散剂,形成溶液A;(2)提前溶解50‑150重量份的低残碳聚合物,直至形成均一溶液B;(3)将上述两种溶液A和B进行混合,搅拌1h,随后加入50‑100重量份的碳粉,搅拌形成悬浊液C;(4)利用喷雾干燥机对上述悬浊液C进行喷雾干燥,最后得到前驱体D;(5)将前驱体D在800‑1100℃温度下焙烧,过300目筛后,得到最终产物。只经过一次制粉步骤,即可制备出内部具有大量微孔孔隙的硅碳材料,既保证了材料内部离子和电子的传输,也可以为硅的嵌锂过程中的体积膨胀预留出空间。
Description
技术领域
本发明属于锂电池负极材料领域,具体公开了一种内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法。
背景技术
现有技术在制备硅碳复合负极材料中,预留空间一般采用与金属单质熔融后,利用酸碱刻蚀法,该类方法不利于保护环境,且步骤复杂,成本高;金属杂质不易除去,金属杂质会刺穿隔膜,造成电池起火,形成巨大风险;金属刻蚀法形成的孔洞大小不均一,不利于硅颗粒内部空间的充分利用。
如:专利CN113169324B,使用硅单质/二氧化硅,与金属单质在高温下反应后,将形成的中间产物进行碳包覆,得到负极材料。该材料并没有对金属杂质进行刻蚀,大量的金属残留,不利于电池的循环安全,极易形成毛刺,刺穿隔膜造成电池起火。
发明内容
为解决上述问题,本发明采用一锅法制备内部具有丰富微孔孔隙的硅碳复合负极材料,只经过一次制粉步骤,即可制备出内部具有大量微孔孔隙的硅碳材料,这种丰富的微孔结构,既保证了材料内部离子和电子的传输,也可以为硅的嵌锂过程中的体积膨胀预留出空间。本发明制备方法简单,环境友好,适合大规模工业化制备。
具体地,一种内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,步骤如下:
(1)原料的选择:选择碳粉、纳米硅粉、沥青等,这些原料为常见的工业原料,有利于降低该粉体的生产成本;
(2)纳米硅溶液制备:利用球磨机将纳米硅粉进行分散,直至粒径Dv50<100nm;取处理后的纳米硅粉100重量份,加入溶剂和分散剂,形成溶液A;
(3)利用有机溶剂或水提前溶解50-150重量份的低残碳聚合物,直至形成均一溶液B;
(4)将上述两种溶液A和B进行混合,搅拌1h,随后加入50-100重量份的碳粉,搅拌1h,形成悬浊液C;
(5)利用喷雾干燥机对上述悬浊液C进行喷雾干燥,最后得到前驱体D;
(6)将前驱体D在800-1100℃温度下焙烧,过300目筛后,得到最终产物—硅碳复合负极材料。
进一步地,所述低残碳聚合物包括:沥青、树脂、橡胶、糖类中的葡萄糖、淀粉等任意一种或者至少两种的混合物,和聚合物的物理状态(液固态)无关,只和聚合物的残碳量相关;优选为煤沥青。所述低残碳聚合物的残碳值小于35%,最优选小于25%。因为残炭值低,碳化过程中随着挥发分的离去,内部会形成均匀丰富的微孔孔隙,为硅膨胀预留空间,从而可以降低材料满电膨胀。
进一步地,所述碳粉包括人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳中的任意一种或者至少两种的混合物,碳粉中值粒径D50=1-5μm,优选为<3.5μm。复合材料中的碳粉既有骨架支撑作用,同时也兼具导电剂作用,提升硅碳材料的导电性。
进一步地,为了控制产品的粒径,所述悬浊液C的固含量控制在10%左右。
附图说明
图1为实施例1硅碳复合材料的切面图,可以发现材料内部有丰富的孔隙结构;其中1为石墨片,2为纳米硅和无定形碳的混合体系,3为200nm以内的微孔;从图中可以看出,碳化后,纳米硅与低残碳聚合物形成的无定形碳可以无界相融,而碳粉被分散在无定形碳+纳米硅的体系中,起到支撑材料骨架结构和增加材料导电性的作用。
图2为对比例1硅碳复合材料的切面图,材料内部致密,没有孔隙结构,不利于缓解硅材料的巨大体积膨胀。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明纳米硅溶液的制备过程中溶剂选用醇系溶剂,除了乙醇外,还可以替换成甲醇、丁醇、丙醇、异丙醇中的一种或至少两种的混合物。
本发明制备过程中溶解低残碳聚合物的有机溶剂可选四氢呋喃、乙醇、丙酮,二硫化碳,吡咯烷酮等。
本发明所用分散剂除了PVP(聚乙烯吡咯烷酮),还可以替换为十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠、烷基硅烷偶联剂、氨基硅烷偶联剂等任意一种或者至少两种的混合物。
本发明所述低残碳聚合物包括:沥青、树脂、橡胶或糖类中的葡萄糖、淀粉等任意一种或者至少两种的混合物,和聚合物的物理状态(液固态)无关,只和聚合物的残碳量相关;优选为煤沥青。所述低残碳聚合物的残碳值小于35%,最优选小于25%。
本发明所述碳粉包括人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳中的任意一种或者至少两种的混合物。
实施例1
一种内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,具体步骤如下:
(1)利用球磨机将纳米硅粉分散开,直至粒径Dv50<100nm;称取1kg乙醇,加入100g纳米硅粉和10gPVP,形成溶液A;
(2)称取100g四氢呋喃溶解100g煤沥青(残碳值小于35%),形成溶液B;
(3)常温快速搅拌条件下,将上述溶液A和溶液B混合搅拌1h后,加入100g人造石墨和天然石墨的混合物(两者质量比1:1),再根据粒度要求,调整固含量,加入1.7kg乙醇,继续搅拌1h,形成悬浊液C;
(4)利用喷雾干燥机对上述悬浊液C进行喷雾造粒,其中进风温度为120℃,出风温度为80℃,得到前驱体D;
(5)将前驱体D在900℃温度下焙烧,再过300目筛,得到最终产物。
实施例2
一种内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,具体步骤如下:
(1)利用球磨机将纳米硅粉分散开,直至粒径Dv50<100nm;称取1kg乙醇,加入100g纳米硅粉和10gPVP,形成溶液A;
(2)称取150g四氢呋喃溶解150g煤沥青(残碳值小于25%),形成溶液B;
(3)常温快速搅拌条件下,将上述溶液A和溶液B混合搅拌1h后,加入100g人造石墨和氧化石墨烯的混合物(质量比9.5:0.5),再加入2.2kg乙醇,继续搅拌1h,形成悬浊液C;
(4)利用喷雾干燥机对上述悬浊液C进行喷雾造粒,其中进风温度为120℃,出风温度为80℃,得到前驱体D;
(5)将前驱体D在800℃温度下焙烧,再过300目筛,得到最终产物。
实施例3
一种内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,具体步骤如下:
(1)利用球磨机将纳米硅粉分散开,直至粒径Dv50<100nm;首先称取1kg乙醇,加入100g纳米硅粉和10gPVP,形成溶液A;
(2)称取50g四氢呋喃溶解50g石油沥青(残碳值小于35%),形成溶液B;
(3)常温快速搅拌条件下,将上述溶液A和溶液B混合搅拌1h后,加入100g人造石墨和氧化石墨烯的混合物(质量比9.5:0.5),再加入1.3kg乙醇,继续搅拌1h,形成悬浊液C;
(4)利用喷雾干燥机对上述悬浊液C进行喷雾造粒,其中进风温度为120℃,出风温度为80℃,得到前驱体D;
(5)将前驱体D在1100℃温度下焙烧,再过300目筛,得到最终产物。
实施例4
一种内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,具体步骤如下:
(1)利用球磨机将纳米硅粉分散开,直至粒径Dv50<100nm;首先称取1kg乙醇,加入100g纳米硅粉和10gPVP,形成溶液A;
(2)称取50g乙醇溶解50g酚醛树脂(残碳值小于35%),形成溶液B;
(3)常温快速搅拌条件下,将上述溶液A和溶液B混合搅拌1h后,加入50g人造石墨和导电炭黑的混合物(质量比9.5:0.5),再加入0.9kg乙醇,继续搅拌1h,形成悬浊液C;
(4)利用喷雾干燥机对上述悬浊液C进行喷雾造粒,其中进风温度为120℃,出风温度为80℃,得到前驱体D;
(5)将前驱体D在900℃温度下焙烧,再过300目筛,得到最终产物。
实施例5
一种内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,具体步骤如下:
(1)利用球磨机将纳米硅粉分散开,直至粒径Dv50<100nm;首先称取1kg乙醇,加入100g纳米硅粉和10gPVP,形成溶液A;
(2)称取50g四氢呋喃溶解50g石油沥青(残碳值小于25%),形成溶液B;
(3)常温快速搅拌条件下,将上述溶液A和溶液B混合搅拌1h后,加入100g人造石墨和天然石墨的混合物(质量比1:1),再加入1.8kg乙醇,继续搅拌1h,形成悬浊液C;
(4)利用喷雾干燥机对上述悬浊液C进行喷雾造粒,其中进风温度为120℃,出风温度为80℃,得到前驱体D;
(5)将前驱体D在900℃温度下焙烧,再过300目筛,得到最终产物。
对比例1
采用与实施例1相同的原料及步骤制备硅碳复合负极材料,区别在于:仅将沥青更换成残碳值为60%左右的一种沥青。
性能测试:
将上述实施例和对比例1所得硅碳复合负极材料用于电池装配和扣电测试,测试结果见下表1。
膨胀是极片扣电满电嵌锂膨胀。
扣电极片满电膨胀测试条件:极片压实密度为0.8-0.9g/cm3,面密度为2.5-3.0mg/cm2。
扣电制作配方为,硅碳复合负极材料:羧甲基纤维素(CMC):丁苯橡胶(SBR):导电炭黑(SP)按照质量比70:10:10:10混合,用去离子水将此材料制成浆料,均匀涂覆在铜箔上,80℃真空干燥24小时,制得实验用的电池极片;再以锂片为对电极,使用1.1mol/L的LiPF6,四组分混合溶剂按照碳酸乙烯酯(EC):碳酸亚乙烯酯(VC):碳酸二甲酯(DMC):氟代碳酸乙烯酯(FEC)=1:1:1:1混合的电解液,采用聚丙烯微孔薄膜为隔膜,在真空手套箱中组装成CR2025型扣式半电池,并在恒流0.05C放电至5mv,在恒流0.05mA放电至5mV,恒流0.05C充电至2V。
表1
(1)从图1中可以清楚的看出,低残碳沥青在碳化后,颗粒内部形成丰富的微孔结构,微纳米孔粒径尺寸有10-200nm不等,孔径分布典型值50-200nm,这种结构既保证了材料内部有效的电接触,同时也为硅膨胀预留出空间,降低硅碳复合材料的满电膨胀。
(2)材料中纳米硅被无定形碳包裹环绕,因此可以发挥碳材料的优良的导电性,极大的缓解半导体硅较差的导电性;无定形碳也可以阻止纳米硅材料的团聚。材料内部无定形碳和硅分布区域相同,说明材料混合的均一性。
(3)使用硅颗粒中值粒径小于100nm的优势为,首先,硅颗粒尺寸的减小意味着锂离子传输距离的缩短,可以减少材料的极化;其次,纳米材料有助于释放脱嵌锂过程中产生的应力,抑制裂纹的产生。
(4)复合材料中的碳粉既有骨架支撑作用,同时也兼具导电剂作用,提升硅碳材料的导电性。
Claims (6)
1.一种内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,其特征在于,具体步骤如下:
(1)利用球磨机将纳米硅粉进行分散,直至粒径Dv50<100nm;取处理后的纳米硅粉100重量份,加入溶剂和分散剂,形成溶液A;
(2)利用有机溶剂或水提前溶解50-150重量份的低残碳聚合物,直至形成均一溶液B,所述低残碳聚合物的残碳值小于35%;
(3)将上述两种溶液A和B进行混合,搅拌1h,随后加入50-100重量份的碳粉,搅拌1h,形成悬浊液C;
(4)利用喷雾干燥机对上述悬浊液C进行喷雾干燥,最后得到前驱体D;
(5)将前驱体D在800-1100℃温度下焙烧,过300目筛后,得到最终产物—硅碳复合负极材料。
2.根据权利要求1所述的内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,其特征在于:所述低残碳聚合物包括沥青、树脂、橡胶、糖类中任意一种或至少两种的混合物。
3.根据权利要求1所述的内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,其特征在于:所述低残碳聚合物为煤沥青。
4.根据权利要求1所述的内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,其特征在于:所述低残碳聚合物的残碳值小于25%。
5.根据权利要求1所述的内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,其特征在于:所述碳粉包括人造石墨、天然石墨、硬碳、软碳中的任意一种或者至少两种的混合物,碳粉中值粒径D50=1-5μm。
6.根据权利要求1所述的内部具有微孔孔隙的硅碳复合负极材料的制备方法,其特征在于:所述碳粉中值粒径<3.5μm。
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