一种预嵌锂的硅碳负极材料及其制备方法与应用

本发明涉及锂离子电池材料，尤其涉及一种预嵌锂的硅碳负极材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、锂离子电池在当前能源战略转型的重要时期扮演着重要的角色，它具有能量密度高、循环稳定性好、工作电压高等优点，在智能电网、移动终端、新能源汽车等众多方面具有广泛应用。随着能源设备的日益发展，对锂离子电池也提出了更多的要求，更高能量密度、更好循环性能和倍率性能的锂离子电池需要开发新型的负极材料，用于替代传统石墨在上述性能方面的局限性。

2、硅具有很高的理论容量，且其资源丰富易获取，被认为是新一代具有发展前景的替代负极材料。然而，硅负极在充放电过程中，由于锂离子的嵌入脱出会产生巨大的体积变化，导致硅负极材料的开裂甚至粉化，使得电池的首次库伦效率低、循环稳定性变差，严重时还会导致电池失效。采用预锂化方式能够引入额外的锂源，可以有效提高首次库伦效率，改善硅负极的循环稳定性。专利cn114122374a、cn110600285b和cn109817473b等主要基于电化学原理，采用形成临时电池的方式使硅负极达到预锂化的效果；专利cn115101710a设计了电沉积系统来实现电极的预锂化，但这类方法的操作较为繁琐；专利cn115207334a公开了在li-si合金粒子表面形成硫代磷酸锂固体电解质层的方法，但包覆的均匀性会对预锂化效果产生影响；专利cn201611062078提出了通过惰性气氛下长时间的高能球磨方式形成锂硅合金，且在制备过程中使用了锂粉；专利cn113314703b将硅源和锂源在惰性气氛中混合后，进行真空高温烧结，得到非晶态锂硅合金；专利cn111384428b将锂硅合金si4li15进行有机-无机的复合包覆作为补锂剂，来改善电池首效、循环寿命，并抑制电池膨胀。专利cn113437282a和cn111434609b等将分散于有机溶剂中的金属锂源与纳米硅或硅基负极发生反应，制备锂硅合金实现预锂化。

3、然而现有方法中，电化学方法步骤较多，操作繁琐；球磨方法需要长时间的高能量输入，且以锂粉作为锂源时需要一直在惰性气氛下进行操作，不利于规模化生产。

4、因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种预嵌锂的硅碳负极材料及其制备方法与应用，旨在解决现有球磨法预锂化方式存在长时间高能量输入以及无法规模化生产的问题。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，包括步骤：

4、将硅源和锂源进行混合，得到混合物；

5、将硅源、锂源与碳源和有机溶剂进行混合，得到混合液；

6、对所述混合液进行搅拌球磨处理，得到浆料；

7、对所述浆料进行热处理，得到预嵌锂的硅碳负极材料。

8、所述的预嵌锂硅碳负极材料的制备方法，其中，所述硅源为纳米硅；所述锂源为锂金属；所述碳源包括不同沥青含质含量的重油；所述有机溶剂由甲苯和庚烷按不同体积比混合而成。

9、所述的预嵌锂硅碳负极材料的制备方法，其中，所述纳米硅的粒径为50-100nm；所述锂金属为锂金属薄片，所述锂金属薄片的长和宽均为2-3mm。

10、所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其中，所述重油中的沥青质的含量为30wt％-50wt％；所述沥青质的加入量为所述硅源的30wt％-130wt％。

11、所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其中，所述锂源的加入量为所述硅源的2wt％-5wt％。

12、所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其中，将硅源、锂源与碳源和有机溶剂进行混合的步骤，具体包括：

13、在惰性气氛下，将硅源和锂源进行混合，并静置预定时间进行合金化反应，得到混合物；

14、将所述混合物与碳源和有机溶剂在惰性气氛下进行混合。

15、所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其中，所述搅拌球磨处理的搅拌杆转速为300-600rmp，所述搅拌球磨处理的时间为2-4h；所述搅拌球磨处理的步骤在大气环境下进行。

16、所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其中，所述对浆料进行热处理的步骤，包括：

17、将所述浆料于惰性气氛下以5-10℃/min的升温速率升温至480-500℃，保温1-3h，以对所述浆料进行热处理。

18、一种预嵌锂的硅碳负极材料，所述预嵌锂的硅碳负极材料利用所述制备方法制得，所述预嵌锂的硅碳负极材料包括基体、以及将所述基体包覆在内的包覆层；所述包覆层为沥青衍生碳，所述基体为预嵌锂的硅纳米颗粒。

19、一种预嵌锂的硅碳负极材料的应用，将所述预嵌锂的硅碳负极材料用作锂离子电池负极材料。

20、有益效果：本发明提供一种预嵌锂的硅碳负极材料及其制备方法与应用，其制备方法包括步骤：将硅源、锂源与碳源和有机溶剂进行混合，得到混合液；对所述混合液进行搅拌球磨处理，得到浆料；对所述浆料进行热处理，得到预嵌锂的硅碳负极材料。本发明通过在球磨同时加入搅拌的方式，产生强力的剪切、冲击和碾压，使硅源与锂源充分接触混合，提高混合效果，缩短混合时间，减少能量消耗，从而获得预嵌锂的硅碳负极材料，实现预锂化过程。所述制备方法借助搅拌球磨方式完成，制得的负极材料为包覆型复合结构，包括沥青衍生碳形成的包覆层，以及被所述包覆层包覆在内的基体，所述基体为预嵌锂的纳米级硅颗粒；所得负极材料预先引入了一定量的体积膨胀，有效提高了首次库伦效率，降低了首次循环时电池中活性锂离子的损失；包覆层的沥青衍生碳层具有无定型的类富勒烯结构，有很好的弹性以保持结构完整性，保证锂硅合金在循环中的结构稳定性；同时对负极/电解液之间的界面起到稳定作用，防止sei膜的过度生长，进一步有利于提高首次库伦效率。

技术特征：

1.一种预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：

2.根据权利要求1所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述硅源为纳米硅；所述锂源为锂金属；所述碳源包括不同沥青含质含量的重油；所述有机溶剂由甲苯和庚烷按不同体积比混合而成。

3.根据权利要求2所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述纳米硅的粒径为50-100nm；所述锂金属为锂金属薄片，所述锂金属薄片的长和宽均为2-3mm。

4.根据权利要求2所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述重油中的沥青质含量为30wt％-50wt％；所述重油的加入量为所述硅源的30wt％-130wt％。

5.根据权利要求1所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述锂源的加入量为所述硅源的2wt％-5wt％。

6.根据权利要求1所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，将硅源、锂源与碳源和有机溶剂进行混合的步骤，具体包括：

7.根据权利要求1所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌球磨处理的搅拌杆转速为300-600rmp，所述搅拌球磨处理的时间为2-4h；所述搅拌球磨处理的步骤在大气环境下进行。

8.根据权利要求1所述的预嵌锂的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述对浆料进行热处理的步骤，包括：

9.一种预嵌锂的硅碳负极材料，其特征在于，所述预嵌锂的硅碳负极材料利用权利要求1-8任一所述的制备方法制得，

10.一种如权利要求9所述的预嵌锂的硅碳负极材料的应用，其特征在于，将所述预嵌锂的硅碳负极材料用作锂离子电池负极材料。

技术总结
本发明涉及锂离子电池材料技术领域，尤其涉及一种预嵌锂的硅碳负极材料及其制备方法与应用，其制备方法包括步骤：将硅源、锂源与碳源和有机溶剂进行混合，然后进行搅拌球磨处理，得到浆料；对浆料进行热处理，得到预嵌锂的硅碳负极材料。本发明通过在球磨同时加入搅拌的方式，产生强力的剪切、冲击和碾压，使硅源与锂源充分接触混合，提高混合效果，缩短混合时间，减少能量消耗，从而获得预嵌锂的硅碳负极材料，实现预锂化过程。该制备方法借助搅拌球磨方式完成，制得的负极材料为包覆型复合结构，在负极材料预先引入了一定量的体积膨胀，有效提高了首次库伦效率，降低了首次循环时电池中活性锂离子的损失。

技术研发人员：徐政和,赵世娇,蔺琬然,卢周广,姜峰
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13