【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及鋰離子電池負(fù)極材料，具體涉及一種硅碳負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用。
技術(shù)介紹
1、近年來，隨著新能源汽車以及各類電子產(chǎn)品的迅速發(fā)展，對于鋰離子電池性能的應(yīng)用要求越來越高。其中，鋰離子電池負(fù)極材料作為鋰離子電池的重要組成成分，也一直是研究者們研究的重點(diǎn)，硅碳負(fù)極材料因結(jié)合了傳統(tǒng)碳負(fù)極材料和硅基負(fù)極材料的優(yōu)勢，能夠有效的提升負(fù)極材料的能量密度，改善循環(huán)性能和倍率性能而日益成為研究的重點(diǎn)。
2、在眾多的碳負(fù)極材料中，中間相炭微球（mcmb）因其球形形狀和獨(dú)特的片層結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子在不同方向上的嵌入和脫出，在充放電過程中體積變化小。但與人造石墨、天然石墨相比，中間相炭微球的容量相對較低，且傳統(tǒng)工藝制備的中間相炭微球，在高溫?zé)崽幚硐轮虚g相炭微球的表面致密度和石墨化程度較高，不利于快速嵌脫鋰反應(yīng),影響負(fù)極材料的倍率性能和高低溫性能。而硅基負(fù)極材料具有更高的比容量，能有效的提升電池的能量密度，但是在充放電過程中體積變化大、循環(huán)性能差。基于上述問題，研究者們提出了將上述兩種材料復(fù)合制備mcmb-si復(fù)合材料，并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分發(fā)揮兩種材料間的協(xié)同作用。目前的研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)了這種方法的可行性。
3、但是目前的mcmb-si硅碳負(fù)極材料仍存在一些問題：第一，材料的制備工藝復(fù)雜。第二，mcmb和硅基材料之間的結(jié)合力差，充放電過程穩(wěn)定性差等。為解決此問題，專利cn117525357?a的中國專利提出了一種用于鋰離子電池的硅碳負(fù)極材料及其制備方法，該方法采用噴涂-粘接-剝離-堆疊技術(shù)構(gòu)造的多層結(jié)構(gòu)硅碳復(fù)合材料
4、因此，如何簡化mcmb與硅基材料制備硅碳負(fù)極材料工藝，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用、緩解嵌鋰/脫鋰過程中的體積變化并改善硅碳負(fù)極材料的導(dǎo)電性能、循環(huán)性能及倍率性能等是一個(gè)亟待解決的行業(yè)問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、基于此，本專利技術(shù)提出了一種夾層結(jié)構(gòu)mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用。該制備方法具有工藝簡單、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，所得到的硅碳負(fù)極材料可有效的緩解嵌鋰/脫鋰過程中的體積變化，改善其循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。
2、為了達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
3、一種夾層結(jié)構(gòu)mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料的制備方法，步驟如下：
4、（1）將瀝青與納米硅混合攪拌并進(jìn)行熱聚合反應(yīng)，得到含有負(fù)載納米硅的中間相炭微球的熱聚合產(chǎn)物；
5、（2）將步驟（1）所得熱聚合產(chǎn)物采用有機(jī)油攪拌加熱溶解并過濾，所得濾餅再以有機(jī)溶劑為回流液反復(fù)抽提，將所得不溶物干燥，得表面負(fù)載納米硅的中間相炭微球，即mcmb@si材料；
6、（3）將mcmb@si材料和包覆碳材料的原料混合進(jìn)行液相碳層包覆處理；惰性氣氛中經(jīng)高溫炭化后得到夾層結(jié)構(gòu)的mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料。
7、優(yōu)選的，所述步驟（1）中的瀝青為石油瀝青、煤瀝青、改質(zhì)煤瀝青、煤焦油和二次石油重質(zhì)油中的至少一種；所述納米硅為單質(zhì)硅、二氧化硅和一氧化硅中的至少一種，粒徑50~200nm；所述瀝青和納米硅質(zhì)量比100:1~10。
8、優(yōu)選的，所述步驟（1）中的熱聚合反應(yīng)中保護(hù)氣氛為氮?dú)夂?或氬氣，熱聚合反應(yīng)壓力為0.1~2mpa，反應(yīng)溫度為350~450℃，反應(yīng)時(shí)間為3~6h，攪拌速率為100~300rpm。
9、優(yōu)選的，所述步驟（2）中有機(jī)油與熱聚合產(chǎn)物的質(zhì)量比例為3~5:1，加熱溶解的溫度為80~120℃，溶解中攪拌速率為100~300rpm，攪拌的時(shí)間為0.5~3h。
10、優(yōu)選的，所述步驟（2）中有機(jī)油為洗油或汽油；有機(jī)溶劑為喹啉和，乙醇或四氫呋喃；干燥的溫度為60~80?℃，干燥時(shí)間為6~24?h。
11、優(yōu)選的，所述步驟（3）中液相碳層包覆工藝類型為液相物理包覆或液相原位化學(xué)包覆。
12、優(yōu)選的，所述步驟（3）中包覆碳材料為瀝青、包覆瀝青、酚醛樹脂、聚多巴胺等有機(jī)聚合物、石墨以及無定形碳等中的一種或幾種，包覆碳材料與mcmb@si材料的質(zhì)量比例為30~100:100。
13、優(yōu)選的，所述步驟（3）中高溫炭化的處理溫度為800~1400℃，升溫速率3~10℃/min，恒溫0.5~3h；保護(hù)氣氛為氮?dú)夂?或氬氣，氣體流量30~100?ml?min-1。
14、優(yōu)選的，所述方法制備的夾層結(jié)構(gòu)mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料，所述夾層結(jié)構(gòu)mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料內(nèi)核為中間相炭微球，中間層為納米硅，最外層為致密碳層。
15、優(yōu)選的，所述的夾層結(jié)構(gòu)mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用。
16、本專利技術(shù)具有以下有益效果：
17、（1）本專利技術(shù)采用熱聚合反應(yīng)工藝，中間相炭微球生長過程中有一定的固液界面推動力，這個(gè)推動力會使得體系中的硅顆粒向中間相炭微球表面移動，進(jìn)而均勻地附著在中間相炭微球表面，一步完成中間相炭微球和硅顆粒之間的自組裝；進(jìn)一步地通過液相包覆實(shí)現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料的制備。
18、（2）本專利技術(shù)具有夾層結(jié)構(gòu)的硅碳負(fù)極材料由內(nèi)到外依次由中間相炭微球、納米硅和致密碳層構(gòu)成。最核心的中間相炭微球擁有較強(qiáng)的儲鋰能力，而且其大的比表面積賦予了納米硅良好的分散效果，最外層的致密碳層則能起到作為緩沖層和導(dǎo)電層的雙重作用。這些因素共同作用，賦予了該夾層結(jié)構(gòu)的硅碳負(fù)極材料優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能和倍率性能，能有效的改善在脫鋰/嵌鋰過程中的體積變化現(xiàn)象，有利于形成更穩(wěn)定的固體電解質(zhì)膜。
19、（3）本專利技術(shù)制備mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料的工藝簡單、可操作性強(qiáng)且易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
本文檔來自技高網(wǎng)...【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種夾層結(jié)構(gòu)MCMB@Si@C硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，步驟如下：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾層結(jié)構(gòu)MCMB@Si@C硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟（1）中的瀝青為石油瀝青、煤瀝青、改質(zhì)煤瀝青、煤焦油和二次石油重質(zhì)油中的至少一種；所述納米硅為單質(zhì)硅、二氧化硅和一氧化硅中的至少一種，粒徑50~200nm；所述瀝青和納米硅質(zhì)量比為100:?1~10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾層結(jié)構(gòu)MCMB@Si@C硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟（1）中的熱聚合反應(yīng)中保護(hù)氣氛為氮?dú)夂?或氬氣，熱聚合反應(yīng)壓力為0.1~2MPa，反應(yīng)溫度為350~450℃，反應(yīng)時(shí)間為3~6h，攪拌速率為100~300rpm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾層結(jié)構(gòu)MCMB@Si@C硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟（2）中有機(jī)油為洗油或汽油；有機(jī)溶劑為喹啉和，乙醇或四氫呋喃；有機(jī)油與熱聚合產(chǎn)物的質(zhì)量比例為3~5:1，加熱溶解的溫度為80~120℃，溶解的時(shí)間為0.5~3h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾層結(jié)構(gòu)MCMB@Si@C硅
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述夾層結(jié)構(gòu)MCMB@Si@C硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟（3）中液相碳層包覆工藝類型為液相物理包覆或液相原位化學(xué)包覆。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述夾層結(jié)構(gòu)MCMB@Si@C硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟（3）中包覆碳材料為瀝青、包覆瀝青、酚醛樹脂、聚多巴胺、石墨和無定形碳中的一種或幾種，包覆碳材料與MCMB@Si材料的質(zhì)量比例為3~10:10。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述夾層結(jié)構(gòu)MCMB@Si@C硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟（3）中高溫炭化的處理溫度為800~1400℃，升溫速率3~10℃/min，恒溫0.5~3h；惰性氣氛為氮?dú)夂?或氬氣。
9.權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述方法制備的夾層結(jié)構(gòu)MCMB@Si@C硅碳負(fù)極材料，其特征在于：所述夾層結(jié)構(gòu)MCMB@Si@C硅碳負(fù)極材料的內(nèi)核為中間相炭微球，中間層為納米硅，最外層為致密碳層。
10.權(quán)利要求9所述的夾層結(jié)構(gòu)MCMB@Si@C硅碳負(fù)極材料在鋰離子電池中的應(yīng)用。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種夾層結(jié)構(gòu)mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，步驟如下：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾層結(jié)構(gòu)mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟（1）中的瀝青為石油瀝青、煤瀝青、改質(zhì)煤瀝青、煤焦油和二次石油重質(zhì)油中的至少一種；所述納米硅為單質(zhì)硅、二氧化硅和一氧化硅中的至少一種，粒徑50~200nm；所述瀝青和納米硅質(zhì)量比為100:?1~10。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾層結(jié)構(gòu)mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟（1）中的熱聚合反應(yīng)中保護(hù)氣氛為氮?dú)夂?或氬氣，熱聚合反應(yīng)壓力為0.1~2mpa，反應(yīng)溫度為350~450℃，反應(yīng)時(shí)間為3~6h，攪拌速率為100~300rpm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾層結(jié)構(gòu)mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料的制備方法，其特征在于：所述步驟（2）中有機(jī)油為洗油或汽油；有機(jī)溶劑為喹啉和，乙醇或四氫呋喃；有機(jī)油與熱聚合產(chǎn)物的質(zhì)量比例為3~5:1，加熱溶解的溫度為80~120℃，溶解的時(shí)間為0.5~3h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾層結(jié)構(gòu)mcmb@si@c硅碳負(fù)極材料的制備方法，...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：劉新玉，杜俊濤，徐兆鵬，孫文濤，李添錦，郟慧娜，
申請(專利權(quán))人：龍子湖新能源實(shí)驗(yàn)室，
類型：發(fā)明
國別省市：
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