一种硅-层状碳化钛负极材料及其制备方法与流程

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种硅-层状碳化钛负极材料及其制备方法。

背景技术：

目前要求单体电池的能量密度≥300kwh/g，对于高能量密度锂离子的应用，传统的石墨负极材料已经不能满足能量密度的要求。硅基负极材料具有较高的理论容量，因此硅-碳负极材料开始应用于锂离子电池负极材料。但是由于硅材料在充放电过程中体积效应显著，硅-碳复合材料中硅的含量较多时(＞20％)，电池在充放电过程中体积变化造成的应力使负极材料粉化，脱离集流体，容量跳水。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种硅-层状碳化钛负极材料及其制备方法，所述制备方法工艺步骤简单，可操作性强，得到的负极材料体积效应小，导电性能和循环稳定性好。

本发明提出的一种硅-层状碳化钛负极材料，包括硅颗粒和层状碳化钛，所述硅颗粒均匀分布在层状碳化钛的片层表面和片层之间。

优选地，在硅-层状碳化钛负极材料中，所述硅颗粒的质量分数为5-40％。

优选地，所述硅颗粒为纳米硅颗粒；所述纳米硅颗粒的粒径为10-120纳米。

本发明还提出的一种所述硅-层状碳化钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、将ti3alc2或ti3sic2加入氟化氢溶液中刻蚀得到层状碳化钛；

s2、将层状碳化钛和硅颗粒加入溶剂中进行超声分散，干燥后得到所述硅-层状碳化钛负极材料。

优选地，在s1中，所述氟化氢溶液中，氟化氢的质量分数为20-55％。

优选地，在s1中，刻蚀的时间为24-72小时。

优选地，在s2中，所述溶剂为水、乙醇、n-甲基吡咯烷酮中的一种或者多种的混合物。

优选地，在s2中，超声分散的时间为5-60分钟。

优选地，在s2中，干燥的温度为60-105℃，干燥的时间为4-24小时。

本发明所述硅-层状碳化钛负极材料，包括硅颗粒和层状碳化钛，所述硅颗粒均匀分布在层状碳化钛的片层表面和片层之间，从而将导电性良好的层状碳化钛和硅颗粒进行复合，利用层状碳化钛的层状结构缓冲硅颗粒在嵌锂/脱锂过程中的体积效应，使所述硅-层状碳化钛负极材料体积效应小，导电性能良好，循环稳定性好；本发明所述的制备方法工艺步骤简单，可操作性强，对于硅基材料导入产业化生产具有重要指导意义。

附图说明

图1为本发明实施例1中硅-层状碳化钛负极材料的结构示意图；

图2为本发明实施例1中硅-层状碳化钛负极材料(硅-层状碳化钛)以及商品纳米硅颗粒(纳米硅颗粒)的循环容量保持率曲线。

具体实施方式

下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

本发明提出的一种所述硅-层状碳化钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、称取ti3alc2粉末10g，加入100g质量浓度为40％的hf溶液中，搅拌48小时进行刻蚀，得到ti3c2的悬浊液，将得到的ti3c2的悬浊液过滤、干燥得到层状碳化钛；

s2、将纳米硅颗粒和层状碳化钛按重量比为20：80加入乙醇中，超声分散30min得到浆料，将得到的浆料抽滤，然后在60℃下干燥24h得到所述硅-层状碳化钛负极材料。

图1为本发明实施例1中硅-层状碳化钛负极材料的结构示意图；由图1可知，在硅-层状碳化钛负极材料中，纳米硅颗粒分散在层状碳化钛的表面和层间。

取所获得的硅-层状碳化钛负极材料、导电炭黑superp和粘结剂海藻酸钠按质量比8：1：1混合，加入去离子水调成均匀的浆料；将浆料涂覆在集流体铜箔上，其中，涂覆厚度为10μm，然后放入真空干燥箱中，在真空环境中干燥10小时，取出后冲电极片，电极片直径为13mm。

电极片样品的电性能测试在2032型扣式电池体系中进行，电解液是1m的lipf6溶解在添加1wt％vc(碳酸亚乙烯酯)的ec/dec(碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯，体积比1:1)溶液中，对电极是金属锂片。将上述的纽扣电池连接在新威设备上，在室温下，进行恒电流充放电测试。先以0.33c的倍率放电至截止电位0.01v(vs.li/li+)，静置2min以后，再以0.33c的倍率充电至截止电位1.0v(vs.li/li+)，得到的循环容量保持率如图2所示，即图2中硅-层状碳化钛表示的曲线，由图2可知，本发明制备的硅-层状碳化钛负极材料的50次循环的容量保持率为85.5％，比商品纳米硅颗粒(76.9％)有明显提高。

在本实施例的硅-层状碳化钛负极材料中，硅材料的克容量高，作为主要的活性材料；层状碳化钛容量较低，但其层状空间可以缓冲硅颗粒嵌锂时产生的应力。因此，硅-层状碳化钛负极材料兼具高容量和循环稳定性。

实施例2

本发明提出的一种所述硅-层状碳化钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、称取ti3alc2粉末10g，加入150g质量浓度为20％的hf溶液中，搅拌72小时，制备出层状碳化钛的悬浊液；然后将层状碳化钛的悬浊液过滤、干燥，得到层状碳化钛；

s2、将纳米硅颗粒和层状碳化钛按重量比为5：95加入乙醇中，超声分散5min，抽滤，然后在105℃下干燥4h得到所述硅-层状碳化钛负极材料。

实施例3

本发明提出的一种硅-层状碳化钛负极材料，包括硅颗粒和层状碳化钛，所述硅颗粒均匀分布在层状碳化钛的片层表面和片层之间。

本发明提出的一种所述硅-层状碳化钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、称取ti3sic2粉末10g，加入100g质量浓度为50％的hf溶液中，搅拌24小时，制备出层状ti3c2的悬浊液；然后将层状ti3c2的悬浊液过滤、干燥，得到层状ti3c2；

s2、将粒径为30-80nm的纳米硅颗粒和层状ti3c2按重量比40：60加入乙醇中，超声分散60min，然后抽滤，在80℃下干燥13h得到所述硅-层状碳化钛负极材料。

实施例4

本发明提出的一种硅-层状碳化钛负极材料，包括硅颗粒和层状碳化钛，所述硅颗粒均匀分布在层状碳化钛的片层表面和片层之间。

本发明还提出的一种所述硅-层状碳化钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、将ti3sic2加入氟化氢溶液中刻蚀得到层状碳化钛；

s2、将层状碳化钛和硅颗粒加入溶剂中进行超声分散，干燥后得到所述硅-层状碳化钛负极材料。

实施例5

本发明提出的一种硅-层状碳化钛负极材料，包括纳米硅颗粒和层状碳化钛，所述纳米硅颗粒均匀分布在层状碳化钛的片层表面和片层之间；其中，在硅-层状碳化钛负极材料中，所述纳米硅颗粒的质量分数为40％；所述纳米硅颗粒的粒径为10-35纳米。

本发明还提出的一种所述硅-层状碳化钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、将ti3alc2加入质量分数为55％的氟化氢溶液中刻蚀24h，过滤、干燥后得到层状碳化钛；

s2、将层状碳化钛和纳米硅颗粒加入乙醇中进行超声分散5min，过滤后在105℃下干燥4h得到所述硅-层状碳化钛负极材料。

实施例6

本发明提出的一种硅-层状碳化钛负极材料，包括硅颗粒和层状碳化钛，所述硅颗粒均匀分布在层状碳化钛的片层表面和片层之间；其中，在硅-层状碳化钛负极材料中，所述硅颗粒的质量分数为5％；所述硅颗粒为纳米硅颗粒；所述纳米硅颗粒的粒径为30-70纳米。

本发明还提出的一种所述硅-层状碳化钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、将ti3alc2加入质量分数为20％的氟化氢溶液中刻蚀72h，过滤、干燥后得到层状碳化钛；

s2、将层状碳化钛和硅颗粒加入水中进行超声分散60min，过滤后在60℃下干燥24h得到所述硅-层状碳化钛负极材料。

实施例7

本发明提出的一种硅-层状碳化钛负极材料，包括硅颗粒和层状碳化钛，所述硅颗粒均匀分布在层状碳化钛的片层表面和片层之间；其中，在硅-层状碳化钛负极材料中，所述硅颗粒的质量分数为32％；所述硅颗粒为纳米硅颗粒；所述纳米硅颗粒的粒径为10-120纳米。

本发明还提出的一种所述硅-层状碳化钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、将ti3alc2加入质量分数为40％的氟化氢溶液中刻蚀55h，过滤、干燥后得到层状碳化钛；

s2、将层状碳化钛和硅颗粒加入溶剂中进行超声分散38分钟，过滤后在80℃下干燥13小时得到所述硅-层状碳化钛负极材料；其中，所述溶剂为水、乙醇的混合物。

实施例8

本发明提出的一种硅-层状碳化钛负极材料，包括硅颗粒和层状碳化钛，所述硅颗粒均匀分布在层状碳化钛的片层表面和片层之间；其中，在硅-层状碳化钛负极材料中，所述硅颗粒的质量分数为18％；所述硅颗粒为纳米硅颗粒；所述纳米硅颗粒的粒径为70-115纳米。

本发明还提出的一种所述硅-层状碳化钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：

s1、将ti3sic2加入氟化氢溶液中刻蚀得到层状碳化钛；其中，所述氟化氢溶液中，氟化氢的质量分数为28％；刻蚀的时间为33小时；

s2、将层状碳化钛和硅颗粒加入溶剂中进行超声分散，干燥后得到所述硅-层状碳化钛负极材料；其中，所述溶剂为水、n-甲基吡咯烷酮的混合物；超声分散的时间为47分钟；干燥的温度为95℃，干燥的时间为18小时。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。