一種硅碳負極材料的制備方法與流程

本發明涉及負極材料，具體為一種硅碳負極材料的制備方法。

背景技術：

1、隨著新能源汽車的快速發展，續航里程的提高對電池的能量密度提出了更高的要求。硅具有高容量(3579mah/g，l?i?15si4)、低脫鋰電位和資源豐富等優點，因此受到廣泛的關注。然而，硅脫/嵌過程中有較大的體積變化(300％)，易導致顆粒粉化，進而從集流體上脫落。同時，硅負極表面在充放電過程中存在se?i膜的不斷破碎及生成，持續地消耗活性鋰離子，導致庫侖效率及電池循環壽命降低。

2、傳統的制備工藝多采用石墨類材料(如人造石墨、大片石墨、軟碳、硬碳、碳納米管、碳納米纖維等)與硅復合后燒結而成，但首次庫倫效率較低，不能滿足現今人們對續航電池容量的需求。研究者們針對硅自身的缺陷設計了一些解決方案。將硅進行納米化制備成納米硅顆粒，保護硅顆粒免于粉化。或將硅與碳進行復合，例如，在納米硅顆粒表面包覆碳，可以有效地改善si-c復合材料的循環性能。再或者，將硅分散到碳基材料，并將si納米顆粒設計成具有碳包覆的核殼結構或三明治狀的c/si/c結構，緩解si納米顆粒的體積膨脹，但目前所報道的合成產物的電化學性能都不理想。

3、目前報道中普遍利用煤瀝青作為基底碳包覆硅碳復合材料，但瀝青經高溫炭化后變為石墨軟碳，在高功率或大電流使用場景中，隨著溶劑化鋰離子的嵌入，石墨層間易發生剝離，使材料結構破壞，進而影響電池壽命以及引發安全問題。

技術實現思路

1、(一)解決的技術問題

2、針對現有技術的不足，本發明提供了一種硅碳負極材料的制備方法，首先，制備表面包覆聚合物的硅納米顆粒，因聚合物表面有豐富的官能團如氨基、羧基、羥基等，從而在硅納米顆粒表面周圍形成緩沖層；其次，繼續對其進行二次包覆，如葡萄糖、蔗糖等等，通過官能團的交聯形成一種類核殼結構的硅納米顆粒，即碳氮共包覆的硅納米顆粒。再者，將包覆后硅納米顆粒、石墨、pvp以一定的質量比分別投入到分散罐中，有機溶劑作為溶劑，進行攪拌。最后，將所得的漿料進行噴霧造粒后，置于管式爐中進行高溫煅燒，得到碳氮雙層包覆硅碳復合材料。

3、(二)技術方案

4、為實現以上目的，本發明通過以下技術方案予以實現：一種硅碳負極材料的制備方法，包括以下步驟：

5、步驟一：聚合物包覆：

6、將20g納米硅分散液置于盛放200m?l異丙醇溶液的三口瓶中，磁力攪拌30分鐘使納米硅顆粒均勻分散，然后加入2.0g經減壓蒸餾提純的苯胺單體，超聲分散后再加入100ml鹽酸溶液，再在冰水浴和持續通入惰性氣體的條件下磁力攪拌30分鐘，然后，緩慢滴加預先配制好的100ml過硫酸銨溶液，滴加完畢后繼續恒溫磁力攪拌6～8小時，反應結束后將產物離心分離，放入真空干燥箱中進行烘干，得到產物a；

7、步驟二：碳包覆：

8、取4g葡萄糖分散在50ml去離子水和150ml異丙醇溶液中，分散均勻后，加入3g產物a，充分磁力攪拌1小時，使硅顆粒上的氨基官能團與葡萄糖上面的官能團充分交聯縮合反應，再進行抽濾干燥得到濾餅，置于真空干燥箱中烘干，得到產物b；

9、步驟三：混合：

10、取5gpvp溶解于50ml去離子水和200ml異丙醇溶液中，置于高速分散罐中，高速分散30分鐘使得pvp充分溶解，再加入10g石墨高速分散1小時，后加入4g產物b，高速混合攪拌4小時，最后進行噴霧干燥，得到產物c；

11、步驟四：燒結：

12、將產物c的粉末置于管式爐中，在惰性氣體氣氛下以5℃/min的升溫速率升溫至900℃，并在900℃保溫120min，制備硅含量為40％的碳氮雙層包覆硅碳復合材料。

13、優選的，步驟一中，所述納米硅的質量分數為20％，且其粒徑為40～300nm。

14、優選的，步驟一中，所述鹽酸溶液的濃度為3.0mo?l/l，所述過硫酸銨溶液的濃度為49.0g/l。

15、優選的，步驟一和步驟二中，所述真空干燥箱的溫度為80-100℃，所述烘干的時間為24-36小時。

16、優選的，步驟三中，所述高速分散罐的轉速為400-500r/min。

17、優選的，步驟三中，所述噴霧干燥的壓力為0.3-0.5mpa，轉速為3r/min，溫度為260-280℃。

18、優選的，步驟一和步驟四中，所述惰性氣體為氮氣、氦氣、氬氣中的任意一種。

19、(三)有益效果

20、本發明提供了一種硅碳負極材料的制備方法。具備以下有益效果：

21、1、聚合物以及糖類經熱解處理后分別氮化和碳化，在硅納米顆粒上面形成雙層包覆，提高其導電性的同時，也可以制備穩定的硅納米顆粒，疏松的碳氮層更有利于電解液的進入，為鋰離子的傳輸提供通道，形成表面穩定的se?i膜。

22、2、pvp在混合過程中一方面可以修飾石墨，一方面可以作為橋梁連接硅與碳，長鏈pvp最后裂解成碳層，所得的材料結構穩定，可以多方緩解硅基材料的體積膨脹，提高材料的循環穩定性。

技術特征：

1.一種硅碳負極材料的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種硅碳負極材料的制備方法，其特征在于：步驟一中，所述納米硅的質量分數為20％，且其粒徑為40～300nm。

3.根據權利要求1所述的一種硅碳負極材料的制備方法，其特征在于：步驟一中，所述鹽酸溶液的濃度為3.0mol/l，所述過硫酸銨溶液的濃度為49.0g/l。

4.根據權利要求1所述的一種硅碳負極材料的制備方法，其特征在于：步驟一和步驟二中，所述真空干燥箱的溫度為80-100℃，所述烘干的時間為24-36小時。

5.根據權利要求1所述的一種硅碳負極材料的制備方法，其特征在于：步驟三中，所述高速分散罐的轉速為400-500r/min。

6.根據權利要求1所述的一種硅碳負極材料的制備方法，其特征在于：步驟三中，所述噴霧干燥的壓力為0.3-0.5mpa，轉速為3r/min，溫度為260-280℃。

7.根據權利要求1所述的一種硅碳負極材料的制備方法，其特征在于：步驟一和步驟四中，所述惰性氣體為氮氣、氦氣、氬氣中的任意一種。

技術總結
本發明提供一種硅碳負極材料的制備方法，涉及負極材料技術領域。該硅碳負極材料的制備方法，首先，制備表面包覆聚合物的硅納米顆粒，從而在硅納米顆粒表面周圍形成緩沖層；其次，添加葡萄糖，通過官能團的交聯形成一種類核殼結構的硅納米顆粒，即碳氮共包覆的硅納米顆粒。再者，將包覆后硅納米顆粒、石墨、PVP以一定的質量比分別投入到分散罐中，有機溶劑作為溶劑，進行攪拌。最后，將所得置于管式爐中進行高溫煅燒，得到碳氮雙層包覆硅碳復合材料。本發明的PVP在混合過程中一方面可以修飾石墨，一方面可以作為橋梁連接硅與碳，長鏈PVP最后裂解成碳層，所得的材料結構穩定，可以多方緩解硅基材料的體積膨脹，提高材料的循環穩定性。

技術研發人員：趙磊,陳玉成,呂波
受保護的技術使用者：豐鎮市宏升炭素有限公司
技術研發日：
技術公布日：2024/11/7