专利名称：一种锂离子电池硅铝碳复合负极材料的制备方法
技术领域：
本发明属锂离子电池技术领域，提供了一种用于锂离子电池硅铝碳复合负极材料的制备方法。
背景技术：
手提电脑、移动通信和数码摄像是当今全球电子信息产业中发展最快的三个行业，同时，伴随着电动汽车产业的蓬勃发展，作为电子信息产业和电动汽车产业最主要配件之一的锂离子电池，也成为颇具前途的一个朝阳产业。与传统Ni/Cd、Ni/MH和铅酸电池相比，锂离子电池具有能量密度高、负载特性好、工作电压高、充电速度快、安全无污染等优点。目前，锂离子电池是发展最快、市场前景最为光明的一种二次电池。当前，商业化的锂离子电池中大多采用钴酸锂/石墨电极体系。电极材料的实际比容量已越来越趋近其理论比容量，受电极材料的理论储锂容量限制(石墨理论容量 372mAh/g，855mAh/cm3)，通过改善电池的制造技术来提高电池性能已经无法取得突破性进展。为满足对锂离子电池高容量的需求，研究开发高比容量的锂离子电池电极材料显得尤为迫切。在对负极材料的研究中，人们发现某些合金化合物可能成为锂离子电池负极材料，如Si、Ge、Sn、Pb、Ga、Sb等都具有较高的储锂容量。目前，这些合金化合物的循环性能还不理想，难以在工业上大规模生产，需要继续探索替代锂离子电池碳材料的新型的负极材料。Al作为锂电池负极材料的研究由来已久。在锂离子电池负极材料的研究历史上，锂最先作为负极材料进行研究，然而由于金属锂异常活泼，在充电时容易在负极表面形成枝晶， 产生安全问题。于是很多科研工作者研究了包括LiAl的合金，作为取代金属锂的负极材料以防止锂枝晶的产生。早在1969年，美国就出现了两篇报道LiAl的专利，随后在20世纪 70年代就已经有人开始深入的研究LiAl合金。测量LiAl合金的电动势，研究LiAl合金的结构和充放电行为，其研究核心是避免产生锂枝晶、解决安全问题，在比容量和循环性能方面的研究上还没有见到文献。目前，有关锂离子电池铝基负极材料的研究并不多见，常见的合成方法有高能球磨法，即以Al粉、Si粉和石墨等为原材料，采用高能球磨法制备得到硅铝碳复合负极材料 (Zhou W, et al. Electrochemical performance of Al - Si - graphite composite as anode for lithium - ion batteries. Electrochemistry Communications, 2011， 13: 158-161)。然而，高能球磨法制备的硅铝碳复合负极材料，不利于大规模生产，而且电化学性能难以令人满意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锂离子电池硅铝碳复合负极材料的制备方法，采用喷射成形技术辅以碳热还原法制备硅铝碳复合负极材料，通过控制气氛，避免Al、Si被氧化， 同时控制颗粒的大小。该制备方法不仅工艺简单，而且可以大规模生产。
本发明采用喷射成形技术辅以碳热还原法制备硅铝碳复合负极材料，以铝块和硅作为原料，具体制备工艺如下
将铝和硅在中频感应真空电炉中进行熔炼，成份均勻后再进行气雾化和喷射成形，气雾化和喷射成形的主要工艺参数为雾化气体为N2或Ar ；雾化压力为0.广IOMPa ；导流嘴直径为0. 5^10. 0mm，沉积距离为5(Tl000mm。通过这些颗粒与气流强烈的对流换热、辐射散热以及其沉积后形成的沉积坯体与水冷基底的导热，使得沉积材料获得很高的冷却速度， 从而得到细小弥散分布第二相的均勻硅铝合金。将硅铝合金与葡萄糖的酒精溶液搅拌、 超声混合均勻，在50-80°C蒸发掉无水酒精，再把残留物置于流动的氮气或氩气气氛中，以广30°C /min的升温速率达到所需温 度50(Γ 000 后，保温0. 5 12小时，然后冷却至室温， 得到硅铝碳复合负极材料。所述真空电炉熔炼的真空度为0. OriOOOPa0上述工艺得到的硅铝碳复合负极材料用于锂离子电池。与现有的高能球磨技术相比，本发明的优点在于制备成本低、工艺过程简单，与高能球磨法只能进行批次生产不同，喷射成形技术可以连续、稳定地大规模生产，产能比高能球磨法高，能耗比高能球磨法低。采用喷射成形技术辅以碳热还原法制备的硅铝碳复合负极材料具有良好的电化学性能，首次可逆比容量高达766mAh/g，在用于锂离子电池上显示出良好的发展前景。
图1为本发明喷射成形技术制备的硅铝合金的XRD图。Al与Si的摩尔比例为 85:15。图2为本发明喷射成形技术制备的硅铝合金的SEM图。Al与Si的摩尔比例为 85:15。图3为本发明喷射成形技术辅以碳热还原法制备的硅铝碳复合负极材料的循环伏安曲线。Al、Si、C的摩尔比例为38:7:55。图4为本发明喷射成形技术制备辅以碳热还原法的硅铝碳复合负极材料前三次的比容量-电压曲线。Al、Si、C的摩尔比为38:7:55。
具体实施例方式实施例1
将纯度分别为99. 7%,99. 9%的Al和Si按照85 15的摩尔比在中频感应真空电炉(真空度为0. OlPa)中进行熔炼，成份均勻后进行气雾化和喷射成形，气雾化和喷射成形的主要工艺参数为雾化气体为N2 ；雾化压力为0. SMPa ；导流嘴直径为4. 0mm，沉积距离为600mm ； 沉积基板材料为45号钢。通过这些颗粒与气流强烈的对流换热、辐射散热以及其沉积后形成的沉积坯体与水冷基底的导热，使得沉积材料获得很高的冷却速度，从而得到细小弥散分布第二相的均勻硅铝合金。将硅铝合金与葡萄糖的酒精溶液搅拌、超声混合均勻，在50°C 下蒸发掉无水酒精，再把残留物置于流动的氮气气氛中，以2°C /min的升温速率达到所需温度700°C后，保温2小时，然后冷却至室温。AlSi合金和葡萄糖的质量比为2:3。硅铝合金的XRD图、SEM图分别见图1和图2。
将合成产物、导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF按质量比70:15:15混合，加入适量NMP 制成浆料，均勻涂于铜箔上，烘干后剪切成圆形极片，与金属锂组成实验电池进行恒电流充放电实验，充放电电流为100mA/g，充放电电压范围控制在0.01-1. 5V之间。制备的硅铝碳复合负极材料的首次放电比容量约为1083 mAh/g，充电比容量为766 mAh/g。其相应的循环伏安曲线和比容量_电压曲线分别见图3和图4。实施例2:
将一定纯度的Al和Si按照85 15的摩尔比配比在中频感应真空电炉(真空度为 IOOPa)中进行熔炼，成份均勻后进行气雾化和喷射成形实验，气雾化和喷射成形的主要工艺参数为雾化气体为N2 ；雾化压力为0. IMPa ；导流嘴直径为6. 0mm，沉积距离为800mm ；沉积基板材料为45号钢。通过这些颗粒与气流强烈的对流换热、辐射散热以及其沉积后形成的沉积坯体与水冷基底的导热，使得沉积材料获得很高的冷却速度，从而得到细小弥散分布第二相的均勻硅铝合金。将硅铝合金与葡萄糖的酒精溶液搅拌、超声混合均勻，在70°C下蒸发掉无水酒精，再把残留物置于流动的氩气气氛中，以10°C /min的升温速率达到所需温度900°C后，保温2小时，然后冷却至室温。AlSi合金和葡萄糖的质量比为2:10。实施例3:
将一定纯度的Al和Si按照95 5的摩尔比配比在中频感应真空电炉(真空度为IPa)中进行熔炼，成份均勻后进行气雾化和喷射成形实验，气雾化和喷射成形的主要工艺参数为 雾化气体为N2 ；雾化压力为2MPa ；导流嘴直径为1. 0mm，沉积距离为IOOOmm ；沉积基板材料为45号钢。通过这些颗粒与气流强烈的对流换热、辐射散热以及其沉积后形成的沉积坯体与水冷基底的导热，使得沉积材料获得很高的冷却速度，从而得到细小弥散分布第二相的均勻硅铝合金。将硅铝合金与葡萄糖的酒精溶液搅拌、超声混合均勻，在70°C下蒸发掉无水酒精，再把残留物置于流动的氮气气氛中，以3°C /min的升温速率达到所需温度700°C后， 保温8小时，然后冷却至室温。AlSi合金和葡萄糖的质量比为2:1。实施例4:
将一定纯度的Al和Si按照70 30的摩尔比配比在中频感应真空电炉(真空度为IPa) 中进行熔炼，成份均勻后进行气雾化和喷射成形，气雾化和喷射成形的主要工艺参数为雾化气体为Ar ；雾化压力为4MPa ；导流嘴直径为1. 0mm，沉积距离为IOOmm ；沉积基板材料为 45号钢。通过这些颗粒与气流强烈的对流换热、辐射散热以及其沉积后形成的沉积坯体与水冷基底的导热，使得沉积材料获得很高的冷却速度，从而得到细小弥散分布第二相的均勻硅铝合金。将硅铝合金与葡萄糖的酒精溶液搅拌、超声混合均勻，在50°C蒸发掉无水酒精，再把残留物置于流动的氩气气氛中，以5°C /min的升温速率达到所需温度950°C后，保温1小时，然后冷却至室温。AlSi合金和葡萄糖的质量比为2:3。
权利要求
1.一种锂离子电池硅铝碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，制备步骤如下将 Al和Si在中频感应真空电炉中进行熔炼，成份均勻后再进行气雾化和喷射成形，气雾化和喷射成形的主要工艺参数为雾化气体为N2或Ar ；雾化压力为0.广IOMPa ；导流嘴直径为0. 5^10. Omm,沉积距离为5(Tl000mm ；将得到的硅铝合金与葡萄糖的酒精溶液搅拌、超声混合均勻，在50-80°C下蒸发掉无水酒精，再把残留物置于流动的氮气或氩气气氛中，以广30°C /min的升温速率达到所需温度50(Γ 000 后，保温0. 5 12小时，然后冷却至室温， 得到硅铝碳复合负极材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述真空电炉熔炼的真空度为 0.01 lOOOPa。
全文摘要
本发明提供了一种锂离子电池硅铝碳复合负极材料的制备方法，属锂离子电池技术。本发明采用喷射成形技术辅以碳热还原法制备硅铝碳复合负极材料，将Al和Si在中频感应真空电炉(真空度为0.01~1000Pa)中熔炼，成份均匀后再进行气雾化和喷射成形，气雾化和喷射成形的主要工艺参数为雾化气体为N2或Ar；雾化压力为0.1~10MPa；导流嘴直径为0.5~10.0mm，沉积距离为50~1000mm。将硅铝合金与葡萄糖的酒精溶液搅拌、超声混合均匀，在50-80℃下蒸发掉无水酒精，再把残留物置于流动的氮气或氩气氮气气氛中，以1~30℃/min的升温速率达到500~1000℃后，保温0.5~12小时，然后冷却至室温。得到的硅铝碳复合负极材料具有良好的电化学性能，首次可逆比容量高达766mAh/g。
文档编号H01M4/38GK102361073SQ20111034103
公开日2012年2月22日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者刘欣, 吕鹏鹏, 杨滨, 赵海雷, 陈敬波 申请人:北京科技大学