CN206210928U - 一种Si‑C复合锂离子电池负极材料的生产系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于锂离子电池负极材料生产设备技术领域，具体涉及一种Si‑C复合锂离子电池负极材料的生产系统。该系统包括依次串联的加料装置、真空搅拌机、喷雾干燥机、第一料仓、固相包覆机、第二料仓、中温碳化炉、梨刀打散机、第三料仓、除磁机、超声波筛分机和成品收集罐，真空搅拌机设置有真空泵，固相包覆机设置有高温沥青粉加粉装置。本实用新型所提供的Si‑C复合锂离子电池负极材料的生产系统，其结构简单，专用性强，适合工业化生产，不需要高温碳化设备，系统能耗也大大降低。

Description

一种Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统

技术领域

本实用新型属于锂离子电池负极材料生产设备技术领域，具体涉及一种Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统。

背景技术

当今，锂离子电池在移动电子领域以及新能源电动汽车和大型储能设备电池系统的领域实现了广泛的应用，随着技术的发展而下一代锂离子电池仍需在能量和功率密度、安全性、寿命、成本上进行系统提高和优化。

研究和应用具有高容量的正、负极材料是发展高比能锂离子电池最有效、最重要的途径之一。在负极方面，传统石墨负极的理论比容量仅有372mAh/g，已难以满足动力型锂离子电池对比能量日益增长的需求，因而开发高比容量的负极材料已刻不容缓。此外，高比容量电极材料还可有效减少活性物质用量，提高锂离子电池的体积比容量，利于锂离子电池的轻薄化。到目前为止，学术界对该类电极材料的研究十分活跃，负极材料研究中发现如Al、Sn、Ag、Si等可与Li合金化的金属及其合金类材料，其可逆储锂的量远远大于石墨类负极。其中，硅材料因其理论容量高(4200mAh/g)、脱/嵌锂电位低、放电平台长且稳定、安全性高以及环境友好等独特优势，受到广泛的关注和研究，并被认为是商业化碳材料最具前景的替代材料。到目前为止，作为一种极具应用前景的负极材料，硅材料的商业化应用依然面临几个关键的瓶颈问题：首先，硅是一种半导体材料，其电子导电性较差。其次，硅在循环嵌/脱锂过程中存在剧烈的体积效应(体积变化大于300％)，这将导致材料快速机械粉化，与集流体基底逐渐脱离失去导电连接，最终造成容量的快速下降。同时，材料在电池循环过程中体积的反复变化，还会导致材料表面形成的SEI膜不断破坏-再生，造成锂离子的不断消耗，加快了电池容量的迅速衰减。由此可见，提高硅的循环性能是硅基负极材料实际应用的关键问题所在。

CN105789576A公开了一种硅基负极材料的制备方法、负极材料和电池，该制备方法包括：将碳材料、硅材料、适量的粘接剂和导电剂混合制备浆料；对所述浆料进行喷雾干燥造粒或挤压混捏造粒，得到粒度大小为5μm～35μm的颗粒；将所述颗粒置于回转烧结炉内，在800℃～1100℃惰性气氛下进行烧结，保温两小时得到烧结后的块状材料；将块状材料打散，使用液体沥青或树脂对所述打散的材料进行浸泽；再将浸泽后的材料置于回转烧结炉内进行烧结，并将得到的材料再次打散；在800℃～1100℃使用表面包覆材料将再次打散的颗粒进行表面包覆处理，即得到硅基负极材料。从该硅基负极材料的制备方法可以看出，该工艺要进行两次烧结，工艺复杂，制造成本偏高。相应的，其生产系统结构复杂、能耗高。

CN105118971A公开了一种锂离子电池硅碳复合负极材料的制备方法，并多次将镁粉和二氧化硅粉制备硅镁复合添加剂，然后将硅镁复合添加剂加入石油焦中，碳化，得核基体材料；将聚苯胺碳纳米管、沥青、有机溶剂混合，制得壳材料前驱体，将壳材料前驱体加入混有成膜添加剂的四氢呋喃混合液中，在真空条件下，核基体材料加入上述壳材料前驱体混合液中，浸渍，蒸发溶剂，烧结，与活性炭混匀，烧结。从该锂离子电池硅碳复合负极材料的制备方法可以看出，该工艺复杂，并多次经过烧结处理，浪费能源，制造成本高。相应的，其生产系统结构复杂、能耗高。

实用新型内容

为解决现有技术的不足，本实用新型提供了一种Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统。基于本实用新型所提供的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统，可以依次进行真空浸渍、搅拌、包覆、捏合、低温碳化，制备纳米硅分散于碳中形成的镶嵌式的高容量Si/C复合材料，从而克服或缓解硅材料在锂离子电池里作为负极进行充放电时硅材料粉化的问题。通过本实用新型所提供的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统生产得到的锂离子电池负极材料，首次充放电效率高，克比容量高，材料应用加工性好，材料及制造成本低廉。

本实用新型所提供的技术方案如下：

一种Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统，包括加料装置、搅拌机、喷雾干燥机、第一料仓、包覆机、第二料仓、碳化炉、打散机、第三料仓、除磁机、筛分机和成品收集罐，所述包覆机设置有高温沥青粉加粉装置，其中：

所述加料装置连接所述搅拌机，用于向所述搅拌机提供乙醇、硅粉、树脂粉和石墨粉；

所述搅拌机连接所述喷雾干燥机，用于向所述喷雾干燥机提供包覆均匀的混合浆料；

所述喷雾干燥机连接所述第一料仓，用于向所述第一料仓提供经过干燥造粒的干燥粉体；

所述第一料仓连接所述包覆机，用于向所述包覆机输送所述干燥粉体；

所述包覆机连接第二料仓，用于向所述第二料仓提供进过高温沥青粉包覆的粉体；

所述第二料仓连接所述碳化炉，用于向所述碳化炉输送所述粉体；

所述碳化炉连接所述打散机，用于向所述打散机提供经过低温碳化处理的碳化粉体；

所述打散机连接所述第三料仓，用于向所述第三料仓提供打散的碳化粉体；

所述第三料仓连接所述除磁机，用于向所述除磁机输送打散的碳化粉体；

所述除磁机连接所述筛分机，用于向所述筛分机提供除磁的碳化粉体；

所述筛分机连接所述成品收集罐，用于向所述成品收集罐提供筛分的成品。

进一步的，所述搅拌机为真空搅拌机，所述真空搅拌机设置有真空泵。

进一步的，所述包覆机为固相包覆机。

进一步的，所述碳化炉为中温碳化炉。

中温碳化炉的工作温度为800～1000℃。

进一步的，所述打散机为梨刀打散机。

进一步的，所述筛分机为超声波筛分机。

更进一步的，所述加料装置连接所述搅拌机，用于向所述搅拌机依次提供乙醇、硅粉、树脂粉和石墨粉。

本实用新型所提供的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统，结构简单，专用性强，适合工业化生产，不需要高温碳化设备，系统能耗也大大降低。其极为匹配以下工艺流程：采用石油焦、针状焦、沥青焦石墨化的一种或几种材料，通过真空浸渍、喷雾造粒、低温碳化等在其表面镶嵌纳米硅粉并用硬碳粘结后再在颗粒表面包覆软碳，进而形成牢固的核壳结构，以进一步制备Si-C复合锂离子电池负极材料。而通过本实用新型所提供的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统生产制备的Si-C/复合材料不仅具有相对较好的机械稳定性，而且由于硅没有直接暴露在电解液中，其表面的不稳定性也可大大降低，故其比容量、循环性能以及首次充放电效率均满足了锂离子电池实用的要求。

附图说明

图1是本实用新型所提供的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统的系统图。

图2是实施例1、实施例2与对比例1模拟电池首次充放电图。图中曲线从右到左依次对应实施例1、实施例2和对比例1。

图3是实施例1得到的产品的扫描电镜图。

图4是实施例2得到的产品的扫描电镜图。

具体实施方式

以下对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

在一个具体实施方式中，如图1所示，Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统包括依次串联的加料装置、真空搅拌机、喷雾干燥机、第一料仓、固相包覆机、第二料仓、中温碳化炉、梨刀打散机、第三料仓、除磁机、超声波筛分机和成品收集罐。真空搅拌机设置有真空泵，固相包覆机设置有高温沥青粉加粉装置。

通过本实用新型所提供的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统，可以实施如下的生产：

实施例1

使用行星真空搅拌机，用无水乙醇100公斤，加入平均粒径＝200nm的硅粉8公斤，加入8公斤粉状树脂，粒径为D50＝3um，慢速搅拌2小时，然后加入经过粉碎、整形后的粒径D50＝12um，比表面积＝5.5㎡/g的石墨粉87公斤，在真空度＝-0.08mpa条件下慢速搅拌2小时进行液相包覆。

将包覆均匀后的浆料用闭环式喷雾干燥机进行干燥造粒。

将上述干燥后的粉体加入粉末状高温沥青，高温沥青粒径为D50＝5um。按照干燥后粉体：高温沥青＝88：12的比例，分批次加入到锥形搅拌式包覆机中，用2000转每分钟的速度包覆搅拌30分钟以上。

将包覆均匀后的粉体取出装入石墨坩埚进行低温碳化处理，碳化温度为800℃，处理时间为12小时，碳化过程中通入氮气进行保护。

最后将粉体经过除磁机后并经325目筛网筛分，筛下料即为该实施例产品，粒径D50＝16.3比表面积＝1.53㎡/g。

将该材料按照常规已知的锂离子电池负极材料评估方法进行电性能评估测试。

实施例2

使用行星真空搅拌机，用无水乙醇100公斤，加入平均粒径＝200nm的硅粉3公斤，加入8公斤粉状树脂，粒径为D50＝3um，慢速搅拌2小时，然后加入经过粉碎、整形后的粒径D50＝12um，比表面积＝5.5㎡/g的石墨粉92公斤，在真空度＝-0.08mpa条件下慢速搅拌2小时进行液相包覆。

将包覆均匀后的浆料用闭环式喷雾干燥机进行干燥造粒。

将上述干燥后的粉体加入粉末状高温沥青，高温沥青粒径为D50＝5um。按照干燥后粉体：高温沥青＝88：12的比例，分批次加入到锥形搅拌式包覆机中，用2000转每分钟的速度包覆搅拌30分钟以上。

将包覆均匀后的粉体取出装入石墨坩埚进行低温碳化处理，碳化温度为800℃，处理时间为12小时，碳化过程中通入氮气进行保护。

最后将粉体经过除磁机后并经325目筛网筛分，筛下料即为该实施例产品，粒径D50＝16.3比表面积＝1.62㎡/g。

将该材料按照常规已知的锂离子电池负极材料评估方法进行电性能评估测试。

采用现有的锂离子电池负极材料的生产系统可进行以下的生产：

对比例1

本对比例使用经过粉碎、整形后的粒径D50＝12um，比表面积＝5.5㎡/g的石墨粉88公斤，加入粉末状高温沥青17公斤，高温沥青粒径为D50＝5um。用锥形搅拌式包覆机中，用2000转每分钟的速度进行固相包覆搅拌30分钟以上。

将包覆均匀后的粉体取出装入石墨坩埚进行低温碳化处理，碳化温度为800℃，处理时间为12小时，碳化过程中通入氮气进行保护。

最后将粉体经过除磁机后并经325目筛网筛分，筛下料即为该实施例产品，粒径D50＝15.1比表面积＝1.13㎡/g。

将该材料按照常规已知的锂离子电池负极材料评估方法进行电性能评估测试。

对比数据，如表1所示：

表1

如图2所示，为实施例1、实施例2与对比例1模拟电池首次充放电图。

如图3所示，为实施例1得到的产品的扫描电镜图。

如图4所示，为实施例2得到的产品的扫描电镜图。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统，其特征在于，包括加料装置、搅拌机、喷雾干燥机、第一料仓、包覆机、第二料仓、碳化炉、打散机、第三料仓、除磁机、筛分机和成品收集罐，所述包覆机设置有高温沥青粉加粉装置，其中：

所述加料装置连接所述搅拌机，用于向所述搅拌机提供乙醇、硅粉、树脂粉和石墨粉；

所述搅拌机连接所述喷雾干燥机，用于向所述喷雾干燥机提供包覆均匀的混合浆料；

所述喷雾干燥机连接所述第一料仓，用于向所述第一料仓提供经过干燥造粒的干燥粉体；

所述第一料仓连接所述包覆机，用于向所述包覆机输送所述干燥粉体；

所述包覆机连接第二料仓，用于向所述第二料仓提供进过高温沥青粉包覆的粉体；

所述第二料仓连接所述碳化炉，用于向所述碳化炉输送所述粉体；

所述碳化炉连接所述打散机，用于向所述打散机提供经过低温碳化处理的碳化粉体；

所述打散机连接所述第三料仓，用于向所述第三料仓提供打散的碳化粉体；

所述第三料仓连接所述除磁机，用于向所述除磁机输送打散的碳化粉体；

所述除磁机连接所述筛分机，用于向所述筛分机提供除磁的碳化粉体；

所述筛分机连接所述成品收集罐，用于向所述成品收集罐提供筛分的成品。

2.根据权利要求1所述的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统，其特征在于：所述搅拌机为真空搅拌机，所述真空搅拌机设置有真空泵。

3.根据权利要求1所述的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统，其特征在于：所述包覆机为固相包覆机。

4.根据权利要求1所述的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统，其特征在于：所述碳化炉为中温碳化炉。

5.根据权利要求1所述的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统，其特征在于：所述打散机为梨刀打散机。

6.根据权利要求1所述的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统，其特征在于：所述筛分机为超声波筛分机。

7.根据权利要求1至6任一所述的Si-C复合锂离子电池负极材料的生产系统，其特征在于：所述加料装置连接所述搅拌机，用于向所述搅拌机依次提供乙醇、硅粉、树脂粉和石墨粉。