专利名称：一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的方法
技术领域：
本发明属于负极材料的制备方法，特别属于制备用于锂电池的复合负极材料的制备方法。
背景技术：
目前，生产使用的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，但石墨的理论嵌锂容量为372mAh/g，实际已达到370mAh/g，因此，石墨类负极材料在容量上几乎已无提升空间。近十几年，各种新型的高容量和高倍率负极材料被开发出来，其中硅基和锡基材料由于其高的质量比容量(硅和锡的理论比容量分别为4200mAh/g和990mAh/g)而成为研究热点，然而这两种材料在嵌脱锂过程中伴随着严重的体积膨胀与收缩，导致电极上的电活性物质粉化脱落，最终导致容量衰减。其中，硅、锡基负极材料在应用过程中，一般是将硅、锡与其他非活性的金属(如!^e、Al、Cu等)形成合金，如中国专利CN03116070. 0公开了锂离子电池负极用硅铝合金/碳复合材料及其制备方法；或将材料均勻分散到其他活性或非活性材料中形成复合材料(如Si-C、Si-TiN等)，如中国专利CN02112180. X公开了锂离子电池负极用高比容量的硅碳复合材料及制备方法。上述方法虽然在一定程度上缓解了硅基负极材料的容量衰减，但其机理都是简单的物理复合或高温碳包覆，都不能从根本上抑制充放电过程中的体积效应，容量依然会随着循环次数的增加而较快地衰减。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能抑制放电过程中的体积效应的高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法。本发明解决技术问题的技术方案为一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法，即将膨胀石墨和嵌锂活性粉体混合后，再加入球磨机中在lOOr/min-eOOr/min的转速下球磨Ι-Mh，即得到复合负极材料；所述的膨胀石墨的质量分数为5 90%，嵌锂活性粉体的质量分数为10 95% ；所述的膨胀石墨的粒径为1 lOOum，硫含量小于0. 03%。优选的嵌锂活性粉体的质量分数为20 80% ；所述的嵌锂活性粉体为硅粉、锡粉、或者两者的混合物。所述的硅粉的粒径为0.05 20μπι，优选的为0.05 Ιμπι;纯度为70 % 99. 9% ；所述的锡粉的粒径为1 lOOum，纯度为90 99. 9%一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法，即将膨胀石墨与嵌锂活性粉体混合，将混合好的粉体加入分散液中，粉体与分散液的质量比为1 10 5 5之间，采用超声波清洗机于4万赫兹，分散0.1-12小时，于150 250°C喷雾干燥，喷雾流量为500mL/小时。所述的膨胀石墨的质量分数为5 90%， 嵌锂活性粉体的质量分数为10 95% ；混合好的粉体与分散液的质量比为1 5 50 ；所述的膨胀石墨为的粒径为1 10um，硫含量小于0. 03%。优选的嵌锂活性粉体的质量分数为20 80% ；所述的嵌锂活性粉体为硅粉、锡粉、或者两者的混合物。所述的硅粉的粒径为0.05 20μπι，优选的为0.05 Ιμπι;纯度为70 % 99. 9% ；所述的锡粉的粒径为1 10um，纯度为90 99. 9%所述的分散液为水、乙醇或者两者的混合物。本发明将膨胀石墨引入硅、锡基负极材料中，如图1所示一方面利用膨胀石墨的导电性增加负极材料的导电性，同时膨胀石墨的可压缩性可以容纳硅、锡颗粒嵌锂过程中的体积膨胀，极大地缓解硅、锡基负极在充放电过程中的粉化脱落现象，从而获得长寿命的负极材料。该工艺简单易行，便于工业化生产，所得材料具有优良的循环性能。本发明与现有技术相比，具有以下特点1、本发明合成的复合负极材料的稳定比容量大于800mAh/g，嵌锂活性颗粒均勻分布在膨胀石墨基体中，由于膨胀石墨的导电性和弹性，膨胀石墨就相当于一个导电弹性基体，使得嵌锂活性颗粒与膨胀石墨间形成良好的电接触并且一直保持，从而有效地减缓了容量衰减的速度。2、原料价廉易得、制备工艺简单、流程短、过程容易控制、容易实现工业化生产。
图1为本发明的原理示意图。图2为本发明所制备的硅碳负极材料的容量循环稳定性示意图。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作详细的说明。实施例1 (1)负极材料合成称取4克硅粉(粒径0. 05 μ m)和4克膨胀石墨，加入球磨罐中，再400r/min的转速下球磨6小时，得膨胀石墨和纳米硅颗粒的复合物。(2)容量测试将所得的材料分别与导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF(聚偏氟乙烯)按照质量比 80 10 10混合，用NMP(1-甲基-2-吡咯烷酮)将此混合物调制成浆料，均勻涂覆在铜箔上，100°C真空干燥对小时，制得实验电池用极片。以锂片为对电极，电解液为lmol/L LiPF6的EC (乙基碳酸酯)+DMC ( 二甲基碳酸酯)(体积比1 1)溶液，隔膜为celgard2400 膜，在充满氩气气氛的手套箱内装配成CR2025型扣式电池。本发明的首次放电容量比按照0. IC放电倍率进行检测，充放电电压范围为0 1. 5V。按本实施例所制作的电池，首次放电比容量达到了 1273mAh/g，100次循环后仍然保持在800mAh/g。如图1、2所示，为本发明实施例所制备的硅碳负极材料的容量循环稳定性示意图。其中，嵌锂活性颗粒均勻分布在膨胀石墨基体中，由于膨胀石墨的导电性和弹性，膨胀石墨就相当于一个导电弹性基体，使得嵌锂活性颗粒与膨胀石墨间形成良好的电接触并且一直保持，从而有效地减缓了容量衰减的速度。且原料价廉易得、制备工艺简单、流程短、过程容易控制、容易实现工业化生产。实施例2称取2克硅粉(粒径0. 1μπι)、2克锡粉和4克膨胀石墨，加入球磨罐中，lOOr/min 的转速下球磨M小时，得复合负极材料。所得材料的比容量按照实施例1的步骤(2)测试，首次放电比容量达到了 1052mAh/g, 100次循环后仍然保持在593mAh/g。实施例3称取0. 8克硅粉(粒径1 μ m)和7. 2克膨胀石墨，加入球磨罐中，600r/min的转速下球磨1小时。得膨胀石墨和纳米硅颗粒的复合物。所得材料的比容量按照实施例1的步骤(2)测试，首次放电比容量达到了 438mAh/ g，100次循环后仍然保持在W3mAh/g。实施例4称取7. 6克硅粉(粒径0. 05 μ m)和0. 4克膨胀石墨，加入球磨罐中，300r/min的转速下球磨5小时，得膨胀石墨和纳米硅颗粒的复合物。所得材料的比容量按照实施例1的步骤(2)测试，首次放电比容量达到1838mAh/ g，100次循环后仍然保持在713mAh/g。实施例5称取2克硅粉(粒径20 μ m)和6克膨胀石墨，加入球磨罐中，600r/min的转速下球磨12小时。得膨胀石墨和纳米硅颗粒的复合物。所得材料的比容量按照实施例1的步骤(2)测试，首次放电比容量达到了 838mAh/ g，100次循环后仍然保持在583mAh/g。实施例6称取5克锡粉和3克膨胀石墨，加入球磨罐中，600r/min的转速下球磨12小时。 得膨胀石墨和锡颗粒的复合物。所得材料的比容量按照实施例1的步骤(2)测试，首次放电比容量达到了 653mAh/ g，100次循环后仍然保持在517mAh/g。实施例7:称取1克硅粉(粒径0. 05 μ m)和7克膨胀石墨，加入40克乙醇，超声分散2小时后，以500mL/h的处理量喷雾干燥，干燥温度为180°C，即得膨胀石墨和纳米硅颗粒的复合物。所得材料的比容量按照实施例1的步骤⑵测试，首次放电比容量达到437mAh/g， 100次循环后仍然保持在W6mAh/g。实施例8称取6克硅粉(粒径0. 1 μ m)和2克膨胀石墨，加入40克乙醇和60克水，超声分
5散0. 1小时后，以500mL/h的处理量喷雾干燥，干燥温度为200°C，即得膨胀石墨和纳米硅颗粒的复合物。所得材料的比容量按照实施例1的步骤(2)测试，首次放电比容量达到1137mAh/ g，100次循环后仍然保持在786mAh/g。实施例9称取6克硅粉(粒径20 μ m)和2克膨胀石墨，加入40克水，超声分散12小时后， 以500mL/h的处理量喷雾干燥，干燥温度为250°C，即得膨胀石墨和纳米硅颗粒的复合物。所得材料的比容量按照实施例1的步骤⑵测试，首次放电比容量达到937mAh/g， 100次循环后仍然保持在451mAh/g。实施例10称取3克锡粉和5克膨胀石墨，加入40克乙醇，超声分散3小时后，以500mL/h的处理量喷雾干燥，干燥温度为150°C，即得膨胀石墨和锡颗粒的复合物。所得材料的比容量按照实施例1的步骤⑵测试，首次放电比容量达到471mAh/g， 100次循环后仍然保持在331mAh/g。
权利要求
1.一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法，即将膨胀石墨和嵌锂活性粉体混合后，再加入球磨机中在lOOr/min-eOOr/min的转速下球磨Ι-Mh，即得到复合负极材料；所述的膨胀石墨的质量分数为5 90%，嵌锂活性粉体的质量分数为10 95%。
2.根据权利要求1所述的一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法，其特征在于所述的膨胀石墨的粒径为1 lOOum，硫含量小于0. 03%。
3.根据权利要求1所述的一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法，其特征在于嵌锂活性粉体的质量分数为20 80%。
4.根据权利要求1所述的一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法，其特征在于所述的嵌锂活性粉体为硅粉、锡粉、或者两者的混合物。
5.根据权利要求4所述的一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法， 其特征在于所述的硅粉的粒径为0. 05 20 μ m,优选的为0. 05 1 μ m ；纯度为70 % 99. 9% ；所述的锡粉的粒径为1 lOOum，纯度为90 99. 9%。
6.一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法，即将膨胀石墨与嵌锂活性粉体混合，将混合好的粉体加入分散液中，粉体与分散液的质量比为1 10 5 5之间，采用超声波清洗机于4万赫兹，分散0.1-12小时，于150 250°C喷雾干燥，喷雾流量为500mL/小时；所述的膨胀石墨的质量分数为5 90%，嵌锂活性粉体的质量分数为10 95% ；混合好的粉体与分散液的质量比为1 5 50。
7.根据权利要求6所述的一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法，其特征在于所述的膨胀石墨为的粒径为1 lOum，硫含量小于0. 03%。
8.根据权利要求6所述的一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法，其特征在于嵌锂活性粉体的质量分数为20 80%。
9.根据权利要求1所述的一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法，其特征在于所述的嵌锂活性粉体为硅粉、锡粉、或者两者的混合物。
10.根据权利要求1所述的一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法， 其特征在于所述的硅粉的粒径为0. 05 20 μ m,优选的为0. 05 1 μ m ；纯度为70% 99. 9% ；所述的锡粉的粒径为1 10um，纯度为90 99. 9% ；所述的分散液为水、乙醇或者两者的混合物。
全文摘要
本发明公开了一种制备高比容量硅碳、锡碳复合负极材料的制备方法，即将膨胀石墨和嵌锂活性粉体混合后，再加入球磨机中在100-600r/min的转速下球磨1-24h，即得到复合负极材料；所述的膨胀石墨的质量分数为5～90％，嵌锂活性粉体的质量分数为10～95％；本发明与现有技术相比，合成的复合负极材料的稳定比容量大于800mAh/g，嵌锂活性颗粒均匀分布在膨胀石墨基体中，由于膨胀石墨的导电性和弹性，膨胀石墨就相当于一个导电弹性基体，使得嵌锂活性颗粒与膨胀石墨间形成良好的电接触并且一直保持，从而有效地减缓了容量衰减的速度；原料价廉易得、制备工艺简单、流程短、过程容易控制、容易实现工业化生产。
文档编号H01M4/58GK102340001SQ20111024836
公开日2012年2月1日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者曾绍忠, 朱广燕 申请人:奇瑞汽车股份有限公司