一種矽量子點自組裝鋰電池電極材料及製備方法與流程
2023-05-26 03:51:36 1
本發明涉及鋰電池電極材料生產技術領域，具體是一種矽量子點自組裝鋰電池電極材料及製備方法。
背景技術：
隨著鋰電池在動力汽車中的應用發展，原有可靠穩定的碳負極難以滿足快速發展的鋰電池的需求。一方面碳電極的電位與金屬鋰的電位很接近，當電池過充電時，碳電極表面易析出金屬鋰，從而可能會形成鋰枝晶而引起短路，有機溶劑與碳負極不匹配可能使鋰離子動力電池發生燃燒。另一方面，隨著新型正極材料容量的不斷增大，碳負極容量存在無法與正極匹配。
已有發現表明，矽材料的理論儲鋰容量為3800mAh/g，成為最有希望在動力鋰電池中替代碳負極的電極材料。目前矽作為鋰電池的負極得到了極高的重視。然而，在充放電的脫嵌鋰過程中，矽材料體積變化較大，容易造成矽顆粒破碎，從而使電極發生嚴重變形，矽顆粒與導電網絡脫離，內阻增加，導致容量迅速衰減，循環性能下降，鋰脫嵌容易造成顆粒破碎，電極大顆粒體積變化使得矽顆粒與導電網絡的脫離。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種矽量子點自組裝鋰電池電極材料及製備方法。其特徵在於將單質矽在惰性氣體保護下通過機械剝離為量子點級別的矽量子點，然後與氧化錫納米線、導電劑自組裝為粒徑在10-20μm的大顆粒狀電極材料。
為解決上述技術問題，本發明提供以下技術方案：
一種矽量子點自組裝鋰電池電極材料的製備方法，其特徵在於，將單質矽在惰性氣體保護下通過機械剝離為量子點級別的矽量子點，然後與氧化錫納米線、導電劑自組裝為粒徑在10-20μm的大顆粒狀電極材料，其步驟如下：
（1）按單質矽與化學發泡劑按照1:1-2的比例稱取材料；
（2）將上述兩種物質裝入高速超細分散混合機，設定轉數5000-8000轉/分鐘，在高速超細分散混合機通入惰性氣體，啟動機械，10-15分鐘後，啟動高速超細分散混合機的升溫程序，設定升溫速率為5℃/分鐘，當溫度達到300℃後停止升溫，繼續高速剪切混合30-40分鐘；
（3）將步驟（2）得到的產物與剝離劑按照10：1-3的比例稱取材料，然後送入高速超細分散混合機中，設定參數5000-8000轉/分鐘，在常溫下，高速剪切混合15-20分鐘；
（4）啟動旋轉振動擠出機的升溫程序，達到50-60℃後，將第（3）步的混合料裝入，設定轉數在400-500轉/分鐘，經過旋轉振動擠出機的旋轉振動剪切剝離1-1.5小時後，清洗乾燥，即得到量子點級別的矽量子點；
（5）將步驟（4）得到的矽量子點與氧化錫納米線、導電劑以質量比100：（5-10）：（1-3）加入研磨機幹態研磨，自組裝為粒徑在10-20μm的大顆粒狀電極材料。
所述步驟（1）中的發泡劑為正戊烷或者正己烷中的一種或者兩種混合物。
所述步驟（2）中的惰性氣體為氦(He)氣、氖(Ne)氣、氬(Ar)氣、氪(Kr)氣、氙(Xe)氣中的一種。
所述步驟（3）中的剝離劑為氯化鈉、氯化鎂、硫酸鈉中的一種。
所述步驟（4）中的自組裝過程中使用的導電劑為石墨烯、碳納米管或碳纖維中的一種。
所述步驟（4）中的量子點級別的矽量子點與氧化錫納米線、導電劑自組裝的時間控制在1.5～5min。
一種矽量子點自組裝鋰電池電極材料，其特徵在於：由上述方法製備而得的電極材料。
本發明與現有技術相比具有的有益效果是：該發明通過將單質矽在惰性氣體保護下通過機械剝離為量子點級別的矽量子點，將量子點級別的矽量子點與氧化錫納米線、導電劑自組裝為粒徑在10-20μm的大顆粒狀電極材料。其優點是，以量子級別存在的矽大幅減小了因鋰脫嵌造成顆粒破碎，引入的氧化錫納米線緩衝了電極大顆粒體積變化，並進一步自組裝過程中使用的導電劑為石墨烯、碳納米管或碳纖維，有效防止矽顆粒與導電網絡的脫離。
附圖說明
圖1為本發明工作流程示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
實施例1
（1）按單質矽與化學發泡劑正戊烷按照1:1的比例稱取材料；
（2）將上述兩種物質裝入高速超細分散混合機，設定轉數5000轉/分鐘，在高速超細分散混合機通入惰性氣體，啟動機械，10分鐘後，啟動高速超細分散混合機的升溫程序，設定升溫速率為5℃/分鐘，當溫度達到300℃後停止升溫，繼續高速剪切混合30分鐘；
（3）將步驟（2）得到的產物與剝離劑氯化鈉按照10：1的比例稱取材料，然後送入高速超細分散混合機中，設定參數5000轉/分鐘，在常溫下，高速剪切混合15分鐘；
（4）啟動旋轉振動擠出機的升溫程序，達到50-60℃後，將第（3）步的混合料裝入，設定轉數在400-500轉/分鐘，經過旋轉振動擠出機的旋轉振動剪切剝離1小時後，清洗乾燥，即得到量子點級別的矽量子點；
（5）將步驟（4）得到的矽量子點與氧化錫納米線、石墨烯以質量比100：5：1加入研磨機幹態研磨，自組裝為粒徑在10-20μm的大顆粒狀電極材料。
實施例2
（1）按單質矽與化學發泡劑正己烷按照1:2的比例稱取材料；
（2）將上述兩種物質裝入高速超細分散混合機，設定轉數6000轉/分鐘，在高速超細分散混合機通入惰性氣體，啟動機械，15分鐘後，啟動高速超細分散混合機的升溫程序，設定升溫速率為5℃/分鐘，當溫度達到300℃後停止升溫，繼續高速剪切混合40分鐘；
（3）將步驟（2）得到的產物與硫酸鈉按照10：3的比例稱取材料，然後送入高速超細分散混合機中，設定參數8000轉/分鐘，在常溫下，高速剪切混合20分鐘；
（4）啟動旋轉振動擠出機的升溫程序，達到50-60℃後，將第（3）步的混合料裝入，設定轉數在400-500轉/分鐘，經過旋轉振動擠出機的旋轉振動剪切剝離1.5小時後，清洗乾燥，即得到量子點級別的矽量子點；
（5）將步驟（4）得到的矽量子點與氧化錫納米線、碳纖維以質量比100：10：3）加入研磨機幹態研磨，自組裝為粒徑在10-20μm的大顆粒狀電極材料。
實施例3
（1）按單質矽與化學發泡劑正戊烷按照1:2的比例稱取材料；
（2）將上述兩種物質裝入高速超細分散混合機，設定轉數8000轉/分鐘，在高速超細分散混合機通入惰性氣體，啟動機械，10分鐘後，啟動高速超細分散混合機的升溫程序，設定升溫速率為5℃/分鐘，當溫度達到300℃後停止升溫，繼續高速剪切混合35分鐘；
（3）將步驟（2）得到的產物與剝離劑氯化鎂按照10：2的比例稱取材料，然後送入高速超細分散混合機中，設定參數7000轉/分鐘，在常溫下，高速剪切混合15分鐘；
（4）啟動旋轉振動擠出機的升溫程序，達到50-60℃後，將第（3）步的混合料裝入，設定轉數在400-500轉/分鐘，經過旋轉振動擠出機的旋轉振動剪切剝離1小時後，清洗乾燥，即得到量子點級別的矽量子點；
（5）將步驟（4）得到的矽量子點與氧化錫納米線、碳納米管以質量比100：8：2加入研磨機幹態研磨，自組裝為粒徑在10-20μm的大顆粒狀電極材料。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，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範圍之內。