一種具有高容量矽碳複合負極材料的製備方法與流程
2023-05-04 21:41:06 1
本發明屬於鋰離子電池材料
技術領域：
，尤其是一種具有高容量矽碳複合負極材料的製備方法。
背景技術：
：石墨負極材料是組成鋰離子電池的關鍵材料，並以其循環性能好、穩定性強、價格低廉及其與電解液相容性高等優點而成為鋰離子電池負極材料的首要選擇。為了滿足市場對鋰離子電池的高能量密度需求，目前的鋰離子電池負極材料在克容量、倍率性能等參數已經無法滿足市場化要求，因此開發出高容量的負極材料顯得非常緊迫，而目前的高容量負極材料主要有矽碳負極、錫負極、合金負極等，而矽碳負極材料技術相對成熟，但矽碳負極在充放電過程中體積膨脹較大、難以產業化應用。針對矽碳負極存在的缺點，國內研究者主要通過矽材料表面包覆等措施降低矽材料的膨脹，如中國專利CN105118974A公開了一種矽基負極材料及其製備方法，引入碳納米纖維來降低矽納米顆粒的體積膨脹，避免了矽顆粒破碎和SEI膜重複生成的現象，提高了負極材料的機械強度，但製備過程複雜、穩定性差、工藝複雜及難以產業化生產。技術實現要素：針對目前矽碳負極材料製備過程中存在的不足，本發明提供了一種具有高容量矽碳複合負極材料的製備方法，該製備方法在矽材料中添加有粒徑合適的球狀聚苯乙烯，並通過碳納米管將粒徑較大的球狀聚苯乙烯和小粒徑的納米氧化矽球連接起來，以降低矽碳複合負極材料的膨脹率，同時還能提高矽碳複合 負極材料的導電性和容量，具有吸液能力強及加工性能優異之特點，製備工藝簡單、易產業化。為實現上述發明目的，本發明採用如下技術方案：一種具有高容量矽碳複合負極材料的製備方法，該製備方法包括複合材料A的製備、複合材料B的製備及矽碳複合負極材料的製備三大過程，其中在複合材料A的製備過程中使用到聚苯乙烯、羧酸化碳納米管和納米氧化矽球，在複合材料B的製備過程中使用到複合材料A和蔗糖溶液，在矽碳複合負極材料的製備過程中使用到氬氣爐和氬氣，各製備過程如下：I、複合材料A的製備：將粒徑為{300～600}nm的磺化聚苯乙烯和羧酸化碳納米管一同放入500g的離子水中超聲分散30min，然後再放入粒徑為{20～100}nm且比表面積為{250～350}m2/g的納米氧化矽球並繼續超聲分散30min，之後撈出並洗滌、乾燥製備出聚苯乙烯/碳納米管/矽構成的複合材料A，複合材料A的質量比構成是：聚苯乙烯∶碳納米管∶矽＝{10～50}∶{10～30}∶100；II、複合材料B的製備：稱取100重量份的複合材料A並添加到500重量份的蔗糖溶液中浸泡，所述蔗糖溶液的濃度控制在5～20％，經1～3h後取出複合材料A並在空氣中晾乾即可製備出由蔗糖包覆聚苯乙烯/碳納米管/矽構成的複合材料B；III、矽碳複合負極材料的製備：將複合材料B放入氬氣爐中進行碳化，碳化時氬氣爐的爐溫控制在600～800℃，氬氣爐的升溫速率控制在1～3℃/min，碳化保溫時間控制在3～8h，碳化保溫時間過後停止通入氬氣並隨爐冷卻至室溫，即可製備出由碳包覆矽/碳納米管/聚苯乙烯組成的矽碳複合負極材料。由於採用如上所述技術方案，本發明產生如下有益效果：1、本發明製備出的矽碳複合負極材料中其較大粒徑的聚苯乙烯縫隙中摻雜有小粒徑的氧化矽，可以增大矽碳複合材料之間的接觸面積和壓實密度，降低矽碳複合材料的內阻。雖然在充放電過程中氧化矽得到膨脹，但球狀聚苯乙烯可以緩衝氧化矽的膨脹，同時聚苯乙烯由於具有雙鍵結構，可以提高電子的傳輸速率，並因此提高矽碳複合負極材料的倍率性能。2、網狀碳納米管將不同粒徑的球狀聚苯乙烯和氧化矽纏繞起來，不但可以提高矽碳複合負極材料的電導率，而且可以降低矽碳複合負極材料在充放電過程中的膨脹率，高比表面積的碳納米管又具有較強的吸液保液能力，使其可以提高矽碳複合負極材料的循環性能。附圖說明圖1是實施例1矽碳複合負極材料的電鏡測試SEM圖。具體實施方式本發明是一種具有高容量矽碳複合負極材料的製備方法，該製備方法通過對相關材料的摻雜改性從而製備出高容量矽碳複合負極材料。本發明的製備方法包括複合材料A的製備、複合材料B的製備及矽碳複合負極材料的製備三大過程，其中在複合材料A的製備過程中使用到聚苯乙烯、羧酸化碳納米管和納米氧化矽球，在複合材料B的製備過程中使用到複合材料A和蔗糖溶液，在矽碳複合負極材料的製備過程中使用到氬氣爐和氬氣，上述基本材料均可在市場購得。現依據所述技術方案給出三個實施例，三個實施例只是所述技術方案的個例，一切以所述技術方案為準。實施例1：將30g粒徑為400nm的磺化且聚苯乙烯和20g羧酸化碳納米管一同放入離子水中超聲分散30min，然後再放入100g粒徑為50nm且比表面積為300m2/g的納米氧化矽球並繼續超聲分散30min，之後撈出並洗滌、乾燥製備出聚苯乙烯/碳納米管/矽構成的複合材料A，此時複合材料A的質量比構成是：聚苯乙烯∶碳納米管∶矽＝30∶20∶100，注意複合材料A的質量比單位是克。稱取上述100重量份的複合材料A並添加到500重量份的蔗糖溶液中浸泡，所述蔗糖溶液的濃度為10％，經2h後取出複合材料A並在空氣中晾乾即可製備出由蔗糖包覆聚苯乙烯/碳納米管/矽構成的複合材料B。將上述複合材料B放入氬氣爐中進行碳化，碳化時氬氣爐的爐溫控制在700℃，氬氣爐的升溫速率控制在3℃/min，碳化保溫時間控制在5h，碳化保溫時間過後停止通入氬氣並隨爐冷卻至室溫，即可製備出由碳包覆矽/碳納米管/聚苯乙烯組成的矽碳複合負極材料。實施例2：將10g粒徑為300nm的磺化且聚苯乙烯和10g羧酸化碳納米管一同放入離子水中超聲分散30min，然後再放入100g粒徑為20nm且比表面積為350m2/g的納米氧化矽球並繼續超聲分散30min，之後撈出並洗滌、乾燥製備出聚苯乙烯/碳納米管/矽構成的複合材料A，此時複合材料A的質量比構成是：聚苯乙烯∶碳納米管∶矽＝10∶10∶100，注意複合材料A的質量比單位是克。稱取上述100重量份的複合材料A並添加到500重量份的蔗糖溶液中浸泡，所述蔗糖溶液的濃度控制為5％，經3h後取出複合材料A並在空氣中晾乾即可製備出由蔗糖包覆聚苯乙烯/碳納米管/矽構成的複合材料B。將上述複合材料B放入氬氣爐中進行碳化，碳化時氬氣爐的爐溫控制在600℃，氬氣爐的升溫速率控制在1℃/min，碳化保溫時間控制在8h，碳化保 溫時間過後停止通入氬氣並隨爐冷卻至室溫，即可製備出由碳包覆矽/碳納米管/聚苯乙烯組成的矽碳複合負極材料。實施例3：將50g粒徑為600nm的磺化且聚苯乙烯和30g羧酸化碳納米管一同放入離子水中超聲分散30min，然後再放入100g粒徑為100nm且比表面積為250m2/g的納米氧化矽球並繼續超聲分散30min，之後撈出並洗滌、乾燥製備出聚苯乙烯/碳納米管/矽構成的複合材料A，此時複合材料A的質量比構成是：聚苯乙烯∶碳納米管∶矽＝50∶30∶100，注意複合材料A的質量比單位是克。稱取上述100重量份的複合材料A並添加到500重量份的蔗糖溶液中浸泡，所述蔗糖溶液的濃度為20％，經1h後取出複合材料A並在空氣中晾乾即可製備出由蔗糖包覆聚苯乙烯/碳納米管/矽構成的複合材料B。將上述複合材料B放入氬氣爐中進行碳化，碳化時氬氣爐的爐溫控制在800℃，氬氣爐的升溫速率控制在5℃/min，碳化保溫時間控制在3h，碳化保溫時間過後停止通入氬氣並隨爐冷卻至室溫，即可製備出由碳包覆矽/碳納米管/聚苯乙烯組成的矽碳複合負極材料。實施例1矽碳複合負極材料的電鏡測試SEM圖如圖1所示，從圖1可以看出，矽碳複合負極材料呈現球形核殼結構，其內核由聚苯乙烯和網狀結構的碳納米管共同構成且在聚苯乙烯之間摻雜有球狀矽粉，而外殼是由碳包覆而成，經檢測所述內核和所述外殼的參考質量比約為：內核∶外殼＝{50～90}∶{10～50}。扣電測試：分別將實施例1-3製備出的矽碳複合負極材料製作成扣式鋰離子電池A1、A2和A3，製作方法為：在實施例1～3的矽碳複合負極材料中分別添加粘結劑、 導電劑和溶劑並進行攪拌製漿，將各製漿塗覆在各銅箔上，經烘乾、碾壓製得，其中粘結劑是LA132，導電劑是SP，溶劑是二次蒸餾水，負極材料∶SP∶LA132∶二次蒸餾水＝95g∶1g∶4g∶220ml，電解液採用LiPF6/EC+DEC，體積比EC∶DEC＝1∶1，金屬鋰片採用對電極，隔膜採用聚乙烯PE、聚丙烯PP或聚乙丙烯PEP複合膜，扣式鋰離子電池裝配在充氫氣的手套箱中進行，電化學性能採用武漢藍電新威5v/10mA型電池測試儀，充放電電壓範圍控制在0.005～2.0V，充放電速率為0.1C。對比例1採用市場購置的未進行改性的人造石墨為負極材料，其它製作方法與上述相同。下表是A1、A2和A3與對比例1扣電測試結果對比結果：從上表可以看出，採用實施例1～3製備出的矽碳複合負極材料製作的扣式鋰離子電池A1、A2和A3，其首次放電容量和首次效率都明顯高於對比例，表明本發明製備出的矽碳複合負極材料能使鋰離子電池具有良好的放電容量和效率，其原因在於：摻雜改性提高了矽碳複合負極材料的克容量，同時採用石墨化度高的聚苯乙烯作為模板提高了矽碳複合負極材料的首次效率，球形核殼結構使所述內核和所述外殼協調作用，從而使製作的扣式鋰離子電池具有優異的電化學性能。軟包電池測試：同理以實施例1-3矽碳複合負極材料，以磷酸鐵鋰為正極材料，採用LiPF6/EC+DEC為電解液，體積比EC∶DEC＝1∶1，Celgard2400膜為隔膜，可分別製作出5AH軟包電池B1、B2和B3，測試其矽碳複合負極極片的吸液保液能力、電芯膨脹率及其軟包電池的循環性能。對比例2採用市場購置的未進行改性的人造石墨為負極材料，以磷酸鐵鋰為正極材料，採用LiPF6/EC+DEC為電解液，體積比LiPF6/EC∶DEC＝1∶1，Celgard2400膜為隔膜，製備出5AH軟包電池B。下表是吸液速度和保液率的對比結果：從上表可以看出，實施例1～3製備的矽碳複合負極材料其吸液、保液能力明顯高於對比例2，表明本發明的矽碳複合負極材料具有較高的吸、液保液能力，其原因在於：在聚苯乙烯之間摻雜有球狀矽粉且所述內核具有較大的比表面積和電子導電率的碳納米管，提高了矽碳複合負極材料的吸液保液能力。下表是各極片的反彈率對比結果：極片採用的活性材料極片反彈率(％)B14.8B25.6B35.1對比例29.6從上表可以看出，實施例1～3製備的負極極片反彈率明顯低於對比例2，表明採用本發明矽碳複合負極材料製作的負極極片具有較低的反彈率，其原因在於：聚苯乙烯具有較大的力學強度和空隙，形成中間緩衝層，為氧化矽在反應過程中產生的膨脹提供空間，從而使矽碳複合負極材料的整體膨脹率較低。下表是不同材料的循環比較結果：從上表可以看出，採用實施例1～3製作的軟包電池在多次循環後容量保持率均高於對比例2，容量衰減速度與衰減率明顯低於對比例2，表明採用本發明製作的軟包電池具有良好的循環性能，其原因在於：本發明矽碳複合負極材料中存在較多的納米、微米小孔，聚苯乙烯微球具有較大的比表面積，提高了矽碳複合負極材料的吸液保液能力，同時由於聚苯乙烯微球緩衝層防止了矽碳複合負極材料在循環過程中的結構破壞，提高了結構穩定性，從而提高了循環性能。當前第1頁1 2 3