锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法

摘要

本发明公开了一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法，要解决的技术问题是改善电极材料的充放电循环稳定性能。本发明由硅碳复合材料与天然石墨类材料混合，硅碳复合材料的质量为7～20％；硅碳复合材料由碳纳米管和/或碳纳米纤维沉积到纳米硅粉颗粒表面和/或嵌入到纳米硅粉颗粒之间形成核，在核的表面包覆有碳层，碳层质量3～15％。制备方法包括：制备前驱体硅粉，化学气相沉积，液相包覆焙烧，粉碎，混合。本发明与现有技术相比，硅碳复合负极材料可逆比容量大于500mAh/g，首次循环库仑效率大于80％，循环50周容量保持率大于95％，制备工艺简单、易于操作、成本低廉，适用于高容量型各类便携式器件用锂离子电池负极材料。

主权项

一种锂离子电池硅碳负极材料，由硅碳复合材料与石墨材料混合，硅碳复合材料占锂离子电池硅碳负极材料的质量为7~20%，硅碳复合材料在粒度为50～200nm的纳米硅粉的表面包覆有碳层，形成核壳结构，碳层质量为核的1～15％，其特征在于：所述锂离子电池硅碳负极材料平均粒径为5～25μm；所述硅碳复合材料由纳米硅粉颗粒，与疏松碳纳米管和/或絮状结构的碳纳米纤维沉积到纳米硅粉颗粒表面和/或嵌入到纳米硅粉颗粒之间形成核，所述石墨材料为含碳量80～99.9%的天然石墨材料；所述锂离子电池硅碳负极材料质量比容量大于420mAh/g，循环60周容量保持率大于92％；所述锂离子电池硅碳负极材料采用以下方法制备得到，包括以下步骤：一、按质量百分比，将2～8%的催化剂、2～10％的可溶解性有机碳、82～95％ 的粒度为1～5μm、纯度为99.9%以上硅粉和无水乙醇，先以1850rpm的转速球磨25～30h，再以转速为500～800rpm球磨1～3h，然后超声震荡不少于30分钟，干燥制粉，得到粒度为8～20um前驱粉体；将前驱粉体以1.3～10℃/min的升温速度，至400～600℃后，再以2～8℃/min的升温速度，升温到600～900℃，焙烧6～8h，自然冷却到室温，粉碎得到粒度为50～200nm的超细微纳米前驱体硅粉；所述可溶解性有机碳是柠檬酸，葡萄糖，酚醛树脂，环氧树脂或氧化乙烯；所述催化剂是乙酸镍，硫酸钴，醋酸镍，硫酸铁，硫酸铜，氯化钴，硝酸镍；二、在超细微纳米前驱体硅粉内通入氮气排除空气至氧含量低于500ppm，然后以1.3～5℃/min的升温速度，升温到400～700℃，焙烧时间3～8h，期间通入有机碳源气体进行化学气相沉积1～3h，流量为1~5L/min，接着恒温烧结1～3h，风冷降温到50℃以下，使纳米硅粉颗粒表面和/或之间生成具有疏松的碳纳米管和/或碳纳米纤维的絮状结构；所述有机碳源气体是液化石油气，乙炔，天然气，甲烷；三、液相包覆焙烧，加入无水乙醇，加入被包覆材料质量1～15％的有机碳源材料，搅拌1～3h，干燥后，以1.3～10℃/min升温速度，至400～600℃，再以5～8℃/min的升温速度，升温到900～1000℃，焙烧6～8h，自然冷却到室温，得到包覆后材料；四、进行非破坏其包覆结构粉碎，并球形化处理，得到平均粒径为5～25μm的硅碳复合材料；五、将硅碳复合材料与平均粒径为5～25μm、含碳量80～99.9%的天然石墨类材料混合，硅碳复合材料占锂离子电池硅碳负极材料的质量为7~20%，得到锂离子电池硅碳负极材料。