一種鋰離子電池負極材料的制備方法與流程

【技術領域】

本發明屬于電池技術領域，尤其涉及一種鋰離子電池負極材料的制備方法。

背景技術：

目前商業化的鋰離子電池負極材料主要為石墨材料，其理論比容量只有372mah/g，為了提高鋰離子電池的能量密度，需要進一步優化石墨負極材料。因此，硅碳負極材料因具有較高的比容量而受到關注，現有技術中，硅碳負極材料的制備方法一般是將硅基材料進行碳包覆，再與石墨材料按照一定的比例混合，或者先將硅基材料與石墨進行復合，再進行碳包覆處理。然而，碳包覆層彈性較差，在充放電循環過程中會由于硅基材料的膨脹而粉化，導致電池循環性能不佳。

鑒于此，實有必要提供一種鋰離子電池負極材料的制備方法以克服以上缺陷。

技術實現要素：

本發明提出一種利用硅基材料提高石墨負極材料的比容量且能夠避免因硅基材料膨脹導致自身粉化的鋰離子電池負極材料的制備方法。

本發明提供的一種鋰離子電池負極材料的制備方法，包括以下步驟：

1)將碳納米管分散于蒸餾水中形成混合液a；

2)按照石墨：碳納米管＝100：(0.01-0.1)的質量比例稱取石墨并加入所述混合液a中形成混合液b；

3)按照硅基材料：石墨＝1：(2-20)的質量比例稱取硅基材料并加入所述混合液b中形成混合液c；

4)將吡咯單體與hcl的混合溶液加入所述混合液c中形成混合液d，且加入的吡咯單體的質量與石墨和硅基材料的總質量相等；

5)將過硫酸銨與hcl的混合溶液按照吡咯單體：過硫酸銨＝1：1的質量比例加入所述混合液d中；

6)反應結束后進行過濾、洗滌、干燥，獲得硅碳負極材料。

優選的，步驟3)中，所述硅基材料的粒徑為10-200nm。

優選的，步驟4)中，吡咯單體與hcl的混合溶液內，吡咯單體與hcl的質量比例為1：(1-5)。

優選的，步驟1)中，碳納米管加入蒸餾水后機械攪拌3-6h，超聲分散6-12h；步驟2)中，石墨加入所述混合液a后機械攪拌1-3h；步驟3)中，硅基材料加入所述混合液b后機械攪拌1-3h；步驟4)中，吡咯單體與hcl的混合溶液加入所述混合液c后機械攪拌0.5-2h；步驟5)中，過硫酸銨與hcl的混合溶液加入所述混合液d后機械攪拌2-4h。

本發明提供的鋰離子電池負極材料的制備方法在制備硅碳負極材料過程中加入了碳納米管與吡咯單體，使獲得的硅碳負極材料具有核-殼結構，中心核部分為石墨材料，外層為具有導電性的聚吡咯層，碳納米管嵌在聚吡咯層中，硅基材料同樣嵌在聚吡咯層中或者存在于聚吡咯層與石墨材料之間。由于聚吡咯層具有一定的彈性，碳納米管分散于其中起到顆粒增強的作用，提高了抗膨脹能力，從而解決了硅碳負極材料作為鋰離子電池負極材料使用時，在充放電過程中由于體積膨脹導致自身粉化的問題。此外，該方法是在常溫下采用化學還原聚合法制備硅碳負極材料，不需要現有技術中常用的高溫碳化處理，提高了生產效率且降低了能耗與成本。

【附圖說明】

圖1是采用實施例1獲得的硅碳負極材料制備的扣式電池的循環測試曲線。

【具體實施方式】

本發明提供一種鋰離子電池負極材料的制備方法，包括以下步驟：1)將碳納米管分散于蒸餾水中形成混合液a；2)按照石墨：碳納米管＝100：(0.01-0.1)的質量比例稱取石墨并加入所述混合液a中形成混合液b；3)按照硅基材料：石墨＝1：(2-20)的質量比例稱取硅基材料并加入所述混合液b中形成混合液c；4)將吡咯單體與hcl的混合溶液加入所述混合液c中形成混合液d，且加入的吡咯單體的質量與石墨和硅基材料的總質量相等。5)將過硫酸銨與hcl的混合溶液按照吡咯單體：過硫酸銨＝1：1的質量比例加入所述混合液d中；6)反應結束后進行過濾、洗滌、干燥，獲得硅碳負極材料。

具體的，步驟1)中，碳納米管加入蒸餾水后機械攪拌3-6h，超聲分散6-12h；步驟2)中，石墨加入所述混合液a后機械攪拌1-3h；步驟3)中，硅基材料加入所述混合液b后機械攪拌1-3h；步驟4)中，吡咯單體與hcl的混合溶液加入所述混合液c后機械攪拌0.5-2h；步驟5)中，過硫酸銨與hcl的混合溶液加入所述混合液d后機械攪拌2-4h。

優選的，所述硅基材料的粒徑為10-200nm。吡咯單體與hcl的混合溶液內，吡咯單體與hcl的質量比例為1：(1-5)。

實施例1

將0.01g碳納米管加入蒸餾水中，經過6h機械攪拌和12h超聲分散使碳納米管充分分散于蒸餾水中，形成混合液a；然后稱取100g石墨加入所述混合液a中，經過3h強烈的機械攪拌使石墨分散完全，形成混合液b；再稱取12.5g粒徑為10-200nm硅基材料加入所述混合液b中，經過1h機械攪拌形成混合液c；接下來稱取112.5g吡咯單體加入450g濃度為2mol/l的hcl溶液中形成吡咯單體與hcl的混合溶液并加入所述混合液c中，機械攪拌0.5h形成混合液d；然后稱取112.5g過硫酸銨加入450g濃度為2mol/l的hcl溶液中形成過硫酸銨與hcl的混合溶液并加入所述混合液d中攪拌反應2h；反應結束后進行過濾、洗滌、干燥，獲得硅碳負極材料，即本發明所指的鋰離子電池負極材料。

實施例2

將0.01g碳納米管加入蒸餾水中，經過6h機械攪拌和12h超聲分散使碳納米管充分分散于蒸餾水中，形成混合液a；然后稱取100g石墨加入所述混合液a中，經過3h強烈的機械攪拌使石墨分散完全，形成混合液b；再稱取10g粒徑為10-200nm硅基材料加入所述混合液b中，經過1h機械攪拌形成混合液c；接下來稱取110g吡咯單體加入450g濃度為2mol/l的hcl溶液中形成吡咯單體與hcl的混合溶液并加入所述混合液c中，機械攪拌0.5h形成混合液d；然后稱取110g過硫酸銨加入450g濃度為2mol/l的hcl溶液中形成過硫酸銨與hcl的混合溶液并加入所述混合液d中攪拌反應2h；反應結束后進行過濾、洗滌、干燥，獲得硅碳負極材料，即本發明所指的鋰離子電池負極材料。

進一步的，將實施例1中獲得的硅碳負極材料與乙炔黑及pvdf按照7：2：1的質量比例混合，以nmp為溶劑調制成漿料涂覆于銅箔上，并在80℃下真空干燥24h。然后進行輥壓、銃片制得鋰離子電池所需的負極極片，制備cr2025型扣式電池。對獲得的扣式電池進行循環充放電測試，結果如圖1所示，可以看出，由實施例1獲得的硅碳負極材料制備的扣式電池具有較好的容量保持率，循環200次后的比容量還能夠達到500mah/g。

本發明提供的鋰離子電池負極材料的制備方法在制備硅碳負極材料過程中加入了碳納米管與吡咯單體，使獲得的硅碳負極材料具有核-殼結構，中心核部分為石墨材料，外層為具有導電性的聚吡咯層，碳納米管嵌在聚吡咯層中，硅基材料同樣嵌在聚吡咯層中或者存在于聚吡咯層與石墨材料之間。由于聚吡咯層具有一定的彈性，碳納米管分散于其中起到顆粒增強的作用，提高了抗膨脹能力，從而解決了硅碳負極材料作為鋰離子電池負極材料使用時，在充放電過程中由于體積膨脹導致自身粉化的問題。此外，該方法是在常溫下采用化學還原聚合法制備硅碳負極材料，不需要現有技術中常用的高溫碳化處理，提高了生產效率且降低了能耗與成本。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施局限于這些說明。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍內。