專利名稱：一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法和采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體的鋰離子電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，尤其涉及ー種硅碳復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法和采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體的鋰離子電池。
背景技術(shù)：
隨著各種便攜式電子設(shè)備以及電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，對(duì)化學(xué)電源的需求和性能要求急劇增長(zhǎng)，以鋰離子電池為代表的動(dòng)カ電池技術(shù)受到各國(guó)政府、企業(yè)、大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究者的關(guān)注。目前，很多人嘗試通過(guò)改進(jìn)電池電極材料的活性物質(zhì)來(lái)提高電池性能，經(jīng)大量研究表明，純粹通過(guò)改進(jìn)電極材料難以取得突破性進(jìn)展。如果能夠配合電極集流體的改進(jìn)，減少電池的無(wú)效空間，提高電池有效空間的利用率，那么電池的能量密度將得到提升，電池電極材料的電化學(xué)性能其有效利用率將得到提高。如何增加電池的有效空間，提高活性物質(zhì)(正、負(fù)極材料)的填充量，或者采用適當(dāng)?shù)奈锢砘蚧瘜W(xué)方法來(lái)提高活性物質(zhì)的利用率，是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。現(xiàn)在大多數(shù)電池企業(yè)是通過(guò)采用薄的金屬箔類集流體來(lái)提高活性物質(zhì)的有效利用率，但是使用過(guò)程中將很快出現(xiàn)極板上活性物質(zhì)之間以及活性物質(zhì)與金屬集流體之間電接觸的惡化，甚至造成活性物質(zhì)脫落，導(dǎo)致電池的容量損失，使用壽命嚴(yán)重降低。研究表明，與通常使用的箔類如銅箔，鋁箔相比，采用泡沫金屬作為集流體，可以更有效地提高鋰電池的容量和倍率放電性能。同時(shí)，商品化鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)大多采用鋰過(guò)渡金屬氧化物/石墨體系，雖然該體系電極本身的電化學(xué)性能優(yōu)異，但是其儲(chǔ)鋰能力較低(如石墨的理論儲(chǔ)鋰量為372mAh/g)，已難以滿足現(xiàn)在各種便攜式電子設(shè)備的小型化發(fā)展以及電動(dòng)汽車對(duì)大容量高功率化學(xué)電源的廣泛需求。對(duì)比容量高、循環(huán)穩(wěn)定性好的電極材料的開發(fā)極具迫切性，目前各研究領(lǐng)域?qū)υ擃愲姌O材料的研究十分活躍，在負(fù)極材料研究中發(fā)現(xiàn)可與Li合金化的Al、Sn、Sb、Si等金屬及合金類材料，其可逆儲(chǔ)鋰量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石墨類負(fù)極，但該類負(fù)極材料的高體積效應(yīng)造成較差的循環(huán)穩(wěn)定性，使得這些體系距實(shí)用化程度仍存在一定的差距。在非碳基負(fù)極材料的研究中，娃基材料因其具有聞的通論儲(chǔ)鈕容量(如單晶Si的儲(chǔ)鋰容量為3800mAh/g，當(dāng)鋰和硅形成合金Li44Si時(shí)儲(chǔ)鋰容量高達(dá)4200mAh/g)，低的嵌鋰電位而倍受關(guān)注。但是，與金屬基材料一祥，硅基材料在高程度脫嵌鋰條件下，存在嚴(yán)重的體積效應(yīng)，造成電極的循環(huán)穩(wěn)定性較差，且其初次不可逆容量高，限制了其作為鋰離子電池負(fù)極材料的應(yīng)用。因此許多研究者都致カ于硅基負(fù)極材料的改性與優(yōu)化?？紤]到碳類材料質(zhì)量輕，來(lái)源豐富，體積效應(yīng)小(石墨體積膨脹約為9%)，可以作為鋰離子和電子混合導(dǎo)體，因此將碳作為分散基質(zhì)緩沖硅顆粒嵌脫鋰時(shí)的體積變化，保持電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并維持電極內(nèi)部電接觸，進(jìn)而提高硅的循環(huán)穩(wěn)定性。Yoshio M等人以苯為碳源，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備了核殼型硅碳復(fù)合材料硅顆粒表面碳包裹層的存在，不僅減少了電解液在電極表面的分解，而且為嵌鋰后的活性中心硅提供了ー層連續(xù)的導(dǎo)電層，因此顯示出良好的循環(huán)特性，經(jīng)20次循環(huán)后容量仍穩(wěn)定在950 mAh/g，但化學(xué)氣相沉積法エ藝復(fù)雜，過(guò)程難以控制，很難得到均勻一致的產(chǎn)品，不利于規(guī)?；a(chǎn)(Yoshio M, Wang H, Fukuda K, Umeno T, Dimov N, Ogumi Z. J.Electrochem. Soc. , 2002,149: A1598 A1603)。Demir- Cakan R等人以納米娃粉和葡萄糖為原料，通過(guò)水熱法制備了核殼型Si-SiOx /C復(fù)合材料在含碳酸亞こ烯酯(VC)添加劑的電解液中，該復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，前50次循環(huán)可逆容量保持在1100 mAh/g，然而在不含碳酸亞こ烯酯的常規(guī)電解液中，該復(fù)合材料循環(huán)性能較差，這可能是由于水熱法得到的碳層并不牢固和均勻(Demir- Cakan R, Titirici M, Antonietti M, Cui G,Maier J, Hu Y S. Chem. Commun, 2008, 3759-3761 )。Nuli Y 等人用高能球磨及熱處理制備了 Cu5Si-Si/C復(fù)合材料。該材料具有612mAh/g的首次可逆容量，40次循環(huán)后保持率為74. 5%，而不加銅的樣品在25次循環(huán)后的容量保持率僅為14. 1%;銅的加入不僅提高了循環(huán)穩(wěn)定性，而且顯著改善了材料的大電流充放電性能，這是由于銅的存在提高了硅的分散度和電子導(dǎo)電率，但Cu5Si惰性相導(dǎo)致整個(gè)復(fù)合材料的容量較低(Nuli Y，Wang B, Yang J，Yuan X, Ma Z.J. Power Sources,2006,153 (2): 371-374)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，提供ー種硅碳復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法，エ藝簡(jiǎn)單，所制備的硅碳復(fù)合負(fù)極材料循環(huán)穩(wěn)定性好，使整體電極的體積變化控制在合理水平，保持硅的高比容量特性，提高鋰離子電池的電化學(xué)性能；同時(shí)采用泡沫金屬作為鋰離子電池的負(fù)極集流體，顯著提高了鋰離子電池的容量和倍率放電性能。本發(fā)明采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體的鋰離子電池包括負(fù)極集流體及硅碳復(fù)合負(fù)極材料，所述鋰離子電池負(fù)極制備方法可采用將硅碳復(fù)合負(fù)極材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑在適當(dāng)溶劑中混合均勻而制成漿料填充在負(fù)極集流體內(nèi)，接著干燥并壓制成電極；所述導(dǎo)電劑為導(dǎo)電炭黒。所述負(fù)極集流體為泡沫金屬，所述泡沫金屬可以是包括金屬基體骨架的連續(xù)相和氣孔分散相或連續(xù)相組成的兩相復(fù)合的材料，所述泡沫金屬為泡沫銅、泡沫鋁或泡沫鎳，所述泡沫金屬的平均孔隙大小為O. l-10mm。本發(fā)明中，采用泡沫金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬箔集流體，由于泡沫金屬具有三維孔隙導(dǎo)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、高孔隙率和高比表面積，不僅可促進(jìn)電流在鋰離子電池集流體上的快速、均勻分布和電解液均勻滲透，增加電極活性物質(zhì)的利用率，緩解活性物質(zhì)的體積效應(yīng)，也可提高活性物質(zhì)與集流體粘附強(qiáng)度，在充放電過(guò)程中不易剝離，從而提高鋰離子電池的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。對(duì)于金屬箔類，活性物質(zhì)只能分布在集流體的表面。轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的電能主要靠集流體傳遞給活性物質(zhì)(即充電過(guò)程中活性物質(zhì)將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能；使用過(guò)程是放電過(guò)程，通過(guò)放電將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能)?？拷黧w的活性物質(zhì)和遠(yuǎn)離集流體的活性物質(zhì)在電能分配上差異很大，越靠近集流體，其所分配的電能越多同時(shí)也越均勻，越遠(yuǎn)離集流體，其所分配的電能越少?？梢钥闯鲇捎阡囯x子電池集流體采用的金屬箔類導(dǎo)致鋰離子電池活性物質(zhì)輸入和輸出以及在轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量的不均勻性，影響了活性物質(zhì)利用率的提高。本發(fā)明泡沫金屬可以采用公知的方法制備，常用的方法有發(fā)泡法和電鍍法，前者通過(guò)向熔體金屬添加發(fā)泡劑制備得泡沫金屬；后者通過(guò)電沉積エ藝在聚氨酯泡沫塑料骨架上復(fù)制成泡沫金屬。所述泡沫金屬制備過(guò)程中的表面處理包括除油和酸洗，進(jìn)行退火處理，退火時(shí)以ム1^2、!12氣體中的ー種或幾種混合氣進(jìn)行保護(hù)，退火溫度為350-600で，退火時(shí)間為 30_120min。所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料通式為Si-C-X，其中X為含硅類活性物質(zhì)中硅的氧化物中的氧，或?yàn)楣韬辖鹬衅渌兀驗(yàn)楣璧幕衔镏性?，所述硅碳?fù)合負(fù)極材料的平均粒度為 O.I-IOum0所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料具有含硅類活性物質(zhì)的高容量?jī)?chǔ)鋰材料及分散載體，所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料中含硅類活性物質(zhì)為硅或硅的氧化物SiOx (0〈x〈2)或含硅的合金，如 Si-Ag、Si-Ni、Si-Cu等合金，或硅的化合物，如CuSi2、CaSi2、MgSi2等；所述分散載體為具有一定儲(chǔ)鋰容量、電化學(xué)可逆嵌脫鋰性能穩(wěn)定的碳類材料，所述分散載體的反應(yīng)前驅(qū)物可以為蔗糖、葡萄糖、浙青、酚醛樹脂或聚氯こ烯(PVC)等，在高溫下發(fā)生裂解、脫氫反應(yīng)，部分石墨化后形成導(dǎo)電性良好的分散載體。所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料的可儲(chǔ)鋰容量由含硅類活性物質(zhì)的含量比例來(lái)調(diào)節(jié)。通過(guò)控制裂解反應(yīng)前的含硅類活性物質(zhì)和分散載體的反應(yīng)前驅(qū)物比例，最終在反應(yīng)后得到儲(chǔ)鋰容量及循環(huán)性能良好的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，反應(yīng)后含硅類活性物質(zhì)在所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料中的含量為10-40 wt %。所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料的充放電特征具備碳類材料和硅類材料各自的充放電特征及復(fù)合特性，所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料同時(shí)具備硅類材料的高儲(chǔ)鋰容量特性和碳類材料的高循環(huán)穩(wěn)定性。本發(fā)明所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，包括如下步驟
(1)、將所述分散載體的反應(yīng)前驅(qū)物溶于有機(jī)溶劑中，所述有機(jī)溶劑為丙酮、四氫呋喃、こ醇、こ酸こ酷、環(huán)氧こ烷、吡咯或吡啶中的ー種；
(2)、將含硅類活性物質(zhì)的材料粉末和在一定溫度下能與硅形成合金或化合物的反應(yīng)前驅(qū)物，緩慢加入步驟(I)的溶液中，進(jìn)行均勻分散處理；所述含硅類活性物質(zhì)的材料粉末的粒徑是微米級(jí)、亞微米級(jí)或納米級(jí)，高度均勻分散和鑲嵌在碳類材料內(nèi)部，所述含硅類活性物質(zhì)的材料粉末可以是硅類氧化物、硅類化合物或硅類合金等；所述能與硅形成合金或化合物的反應(yīng)前驅(qū)物是金屬粉末或金屬氧化物或有機(jī)、無(wú)機(jī)的金屬鹽等；
(3)、步驟(2)中形成的溶液在30-90°C下?lián)]發(fā)有機(jī)溶劑后得到混合物，將混合物移入氣密性好的反應(yīng)體系中，在保護(hù)氣體氛圍下，以升溫速率為1_20°C /min升溫至700_1500°C發(fā)生高溫固相反應(yīng)，保溫60-480min ;所述保護(hù)氣體為Ar、N2、H2氣體中的ー種或幾種；所述升溫速率最佳范圍為3 8°C /min ;所述固相反應(yīng)的最佳溫度控制為800_1200°C ；
(4)、結(jié)束后，氣密性好的反應(yīng)體系以速率為1-20°C/min降溫。本發(fā)明采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體的鋰離子電池及制備的硅碳復(fù)合負(fù)極材料具有如下優(yōu)點(diǎn)
(I)、泡沫金屬的三維孔隙導(dǎo)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和高孔隙率，明顯減輕了硅類活性物質(zhì)的體積效
應(yīng)；(2)、鋰離子電池中的電流密度和電解液可以獲得均勻分布，有效得提高了鋰離子電池內(nèi)硅類活性物質(zhì)的利用空間；
(3)、改善了鋰在硅類活性材料中的擴(kuò)散行為；
(4)、防止了硅碳界面鈍化層的形成；
(5)、可嵌脫鋰電位高于常用鋰離子電池負(fù)極材料，防止金屬鋰在負(fù)極表面的析出，便于大倍率充放電。本發(fā)明所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備采用高溫固相法，反應(yīng)過(guò)程易于控制，操作簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)エ業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。而且，本發(fā)明采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體，因?yàn)榕菽饘俚娜S孔隙導(dǎo)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和高孔隙率有利于硅類活性物質(zhì)與集流體的接觸，粘附強(qiáng)度高，能很好地緩解硅類活性物質(zhì)較大的體積效應(yīng)，在充放電過(guò)程中硅類活性物質(zhì)不易脫落，使硅碳復(fù)合負(fù)極材料循環(huán)穩(wěn)定性得到有效提升；其次，通式為Si-C-X的硅碳復(fù)合負(fù)極材料可以有效防止含硅顆粒與碳基材料在高溫下直接接觸產(chǎn)生硅碳鈍化層的界面反應(yīng)行為，與硅/碳ニ元復(fù)合體系相比具有更小的體積效應(yīng)；再次，硅碳復(fù)合負(fù)極材料的比容量遠(yuǎn)高于目前鋰離子電池普遍使用的碳類負(fù)極材料，其充電電壓高于碳類負(fù)極材料，在大電流充電或過(guò)充條件下電池的安全性能較石墨類負(fù)極體系好。


圖I為本發(fā)明負(fù)極集流體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明以泡沫金屬為負(fù)極集流體，以硅碳復(fù)合負(fù)極材料為活性物質(zhì)的鋰電池電池負(fù)極結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一歩了解本發(fā)明的特征、技術(shù)手段以及所達(dá)到的具體目的、功能，下面結(jié)合圖I、圖2及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)描述。實(shí)施例I
以泡沫鎳為負(fù)極集流體，制備SiMg/C復(fù)合負(fù)極材料。將蔗糖溶于こ酸こ酯中，緩慢混合均勻；然后將顆粒大小200nm左右的硅粉和こ基溴化鎂按計(jì)量比緩慢加入，輕輕搖勻并 適當(dāng)加熱；將呈團(tuán)聚態(tài)的混合物放置在烘箱中除去有機(jī)溶劑，溫度為80°C;干燥后的混合物移入通有Ar或N2的管式電爐中加熱，緩慢升溫至1000°C左右，升溫速率為15°C /min，反應(yīng)時(shí)間為2h ;然后將反應(yīng)后的混合物在研缽中研細(xì)；將制備所得硅碳復(fù)合負(fù)極材料、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑PVDF按質(zhì)量比85 10 :5混合，同時(shí)加入適量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)攪拌均勻后，制成片狀，將其與泡沫鎳壓制成負(fù)極極片，再在真空下烘12h。取出負(fù)極極片后在真空手套箱中與鋰片組裝成扣式鋰離子電池，電解液為L(zhǎng)iPF6/EC :DEC(體積比為1:1)。電化學(xué)測(cè)試在室溫下進(jìn)行，截止充放電電壓為O. 02-1. 5V，充放電電流密度為O. 2mA/cm2。制備的SiMg/C復(fù)合負(fù)極材料首次比容量可達(dá)到960mAh/g，首次充放電效率為96%，50次循環(huán)后的容量仍保持798 mAh/g。實(shí)施例2
以泡沫鎳為負(fù)極集流體，制備Si/C復(fù)合負(fù)極材料。將蔗糖溶于こ酸こ酯中，緩慢混合均勻；然后將顆粒大小200nm左右的硅粉緩慢加入，輕輕搖勻并適當(dāng)加熱；將呈混合物放置在烘箱中除去有機(jī)溶劑，溫度為80°C ;干燥后的混合物移入通有Ar或N2的管式電爐中加熱，緩慢升溫至1000°C左右，升溫速率為15°C /min,反應(yīng)時(shí)間為2h ;然后將反應(yīng)后的混合物在研缽中研細(xì)；將制備所得硅碳復(fù)合負(fù)極材料、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑PVDF按質(zhì)量比85:10:5混合，同時(shí)加入適量的N-甲基吡咯烷酮攪拌均勻后，制成片狀，將其與泡沫鎳壓制成負(fù)極極片，再在真空下烘干12h。測(cè)試步驟與實(shí)施例I相同，制備的Si/C復(fù)合負(fù)極材料首次可逆比容量為870 mAh/g，首次充放電效率為80%，50次循環(huán)后的放電比容量為695 mAh/g。實(shí)施例3
以銅箔為負(fù)極集流體，制備SiMg/C復(fù)合負(fù)極材料。將蔗糖溶于こ酸こ酯中，緩慢混合均勻；然后將顆粒大小200nm左右的硅粉和こ基溴化鎂按計(jì)量比緩慢加入，輕輕搖勻并適當(dāng)加熱；將呈團(tuán)聚態(tài)的混合物放置在烘箱中除去有機(jī)溶劑，溫度為80°C;干燥后的混合物移入通有Ar或N2的管式電爐中加熱，緩慢升溫至1000°C左右，升溫速率為15°C /min，反應(yīng)時(shí)、間為2h ;然后將反應(yīng)后的混合物在研缽中研細(xì)；將制備所得硅碳復(fù)合負(fù)極材料、導(dǎo)電炭黒、粘結(jié)劑PVDF按質(zhì)量比85:10:5混合，同時(shí)加入適量的N-甲基吡咯烷酮攪拌均勻后，涂覆在負(fù)極集流體銅箔上，再在真空下烘干12h。測(cè)試步驟與實(shí)施例I相同，制備的SiMg/C復(fù)合負(fù)極材料首次可逆比容量為830 mAh/g，首次充放電效率為80%，50次循環(huán)后的放電比容量為670 mAh/g。實(shí)施例4
以銅箔為集流體，制備Si/C復(fù)合負(fù)極材料。將蔗糖溶于こ酸こ酯中，緩慢混合均勻；然后將200nm左右的硅粉緩慢加入，輕輕搖勻并適當(dāng)加熱；將呈團(tuán)聚態(tài)的混合物放置在烘箱中除去有機(jī)溶劑，溫度為80°C ;干燥后的混合物移入通有Ar或N2的管式電爐中加熱，緩慢升溫至1000°C左右，升溫速率為15°C /min,反應(yīng)時(shí)間為2h ;然后將反應(yīng)后的混合物在研缽中研細(xì)；將制備所得硅碳復(fù)合負(fù)極材料、導(dǎo)電炭黑、粘結(jié)劑PVDF按質(zhì)量比85:10:5混合，同時(shí)加入適量的N-甲基吡咯烷酮攪拌均勻后，涂覆在負(fù)極集流體銅箔上，再在真空下烘干12h。測(cè)試步驟與實(shí)施例I相同，制備的Si/C復(fù)合負(fù)極材料首次可逆比容量為780 mAh/g,首次充放電效率為76%，50次循環(huán)后的放電比容量為627 mAh/g。綜上所述，本發(fā)明采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體，配合硅碳復(fù)合負(fù)極材質(zhì)的鋰離子電池，首次充放電效率大于90%，經(jīng)過(guò)50次循環(huán)后，其可逆容量仍然能超過(guò)750 mAh/g。其比容量和循環(huán)穩(wěn)定性明顯高于單獨(dú)采用泡沫金屬為負(fù)極集流體和以硅碳材料為活性物質(zhì)制備的鋰離子電池；同時(shí)，其性能也高于采用以金屬箔為負(fù)極集流體配合硅碳復(fù)合材料的鋰離子電池；由于本發(fā)明硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法反應(yīng)過(guò)程易控制，成本低廉，操作簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，具有很大的應(yīng)用前景。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.ー種硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料通式為Si-C-X，其中X為含硅類活性物質(zhì)中硅的氧化物中的氧，或?yàn)楣韬辖鹬衅渌?，或?yàn)楣璧幕衔镏性兀龉杼紡?fù)合負(fù)極材料的平均粒度為O. I-IOum ;所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料具有分散載體及含硅類活性物質(zhì)的高容量?jī)?chǔ)鋰材料，所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料中含硅類活性物質(zhì)為硅或硅的氧化物SiOX (0〈x〈2)或含硅的合金，或硅的化合物；所述分散載體為具有儲(chǔ)鋰容量、可逆嵌脫鋰性能穩(wěn)定的碳類材料。
2.根據(jù)權(quán)利I要求所述的ー種硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)、將所述分散載體的反應(yīng)前驅(qū)物溶于有機(jī)溶劑中； (2)、將含硅類活性物質(zhì)的材料粉末和在一定溫度下能與硅形成合金或化合物的反應(yīng)前驅(qū)物，緩慢加入步驟(I)的溶液中，進(jìn)行均勻分散處理； (3)、步驟(2)中形成的溶液在30-90°C下?lián)]發(fā)有機(jī)溶劑后得到混合物，將混合物移入氣密性好的反應(yīng)體系中，在保護(hù)氣體氛圍下，以升溫速率為1_20°C /min升溫至700_1500°C發(fā)生高溫固相反應(yīng)，保溫60-480min ； (4)、結(jié)束后，反應(yīng)體系以速率為1-20°C/min進(jìn)行降溫。
3.根據(jù)權(quán)利2要求所述的ー種硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于所述有機(jī)溶劑為丙酮、四氫呋喃、こ醇、こ酸こ酷、環(huán)氧こ烷、卩比咯或卩比唳中的ー種。
4.根據(jù)權(quán)利2要求所述的ー種硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于所述分散載體的反應(yīng)前驅(qū)物為蔗糖、葡萄糖、浙青、酚醛樹脂或聚氯こ烯。
5.根據(jù)權(quán)利2要求所述的ー種硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于所述保護(hù)氣體為Ar、N2、H2氣體中的ー種或幾種，所述能與硅形成合金或化合物的反應(yīng)前驅(qū)物是金屬粉末或金屬氧化物或有機(jī)、無(wú)機(jī)的金屬鹽。
6.根據(jù)權(quán)利2要求所述的ー種硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于所述升溫速率最佳范圍為3 8°C /min ;所述固相反應(yīng)的最佳溫度控制為800-1200°C ;所述含硅類活性物質(zhì)的材料粉末的粒徑是微米級(jí)、亞微米級(jí)或納米級(jí)，高度均勻分散和鑲嵌在碳類材料內(nèi)部，所述含硅類活性物質(zhì)的材料粉末可以是硅類氧化物、硅類化合物或硅類合金。
7.根據(jù)權(quán)利2要求所述的ー種硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料的可儲(chǔ)鋰容量由含硅類活性物質(zhì)的含量比例來(lái)調(diào)節(jié)，通過(guò)控制反應(yīng)前的含硅類活性物質(zhì)和分散載體的反應(yīng)前驅(qū)物比例，最終在反應(yīng)后得到儲(chǔ)鋰容量及循環(huán)性能良好的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，反應(yīng)后含硅類活性物質(zhì)在所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料中的含量為10-40 wt %。
8.根據(jù)權(quán)利f7要求所述的ー種采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體的鋰離子電池，其特征在干所述鋰離子電池包括負(fù)極集流體及硅碳復(fù)合負(fù)極材料，所述負(fù)極集流體為泡沫金屬，所述泡沫金屬的平均孔隙大小為O. I-IOmm ;所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料粘附在所述泡沫金屬上。
9.根據(jù)權(quán)利8要求所述的ー種采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體的鋰離子電池，其特征在于所述泡沫金屬為泡沫銅、泡沫招或泡沫鎳。
10.根據(jù)權(quán)利8要求所述的ー種采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體的鋰離子電池，其特征在干所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料添加到所述泡沫金屬的空隙中，通過(guò)壓制制成片狀，形成負(fù)極極片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法和采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體的鋰離子電池，屬于鋰離子電池領(lǐng)域。本發(fā)明采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體的鋰離子電池包括采用泡沫金屬作為負(fù)極集流體及硅碳復(fù)合負(fù)極材料，由于泡沫金屬的三維孔隙導(dǎo)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和高孔隙率有利于硅類活性物質(zhì)與集流體的接觸，粘附強(qiáng)度高，能很好地緩解硅類活性物質(zhì)較大的體積效應(yīng)，在充放電過(guò)程中硅類活性物質(zhì)不易脫落，使硅碳復(fù)合負(fù)極材料循環(huán)穩(wěn)定性得到有效提升；而通式為Si-C-X的硅碳復(fù)合負(fù)極材料具有分散載體及含硅類活性物質(zhì)的高容量?jī)?chǔ)鋰材料；所述分散載體為具有儲(chǔ)鋰容量、可逆嵌脫鋰性能穩(wěn)定的碳類材料，顯著提高了鋰離子電池的容量和倍率放電性能。
文檔編號(hào)H01M4/66GK102694156SQ201210197848
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月15日
發(fā)明者張國(guó)慶, 張新河, 李中延, 李新喜, 熊中瓊, 陽(yáng)楚雄 申請(qǐng)人:東莞市邁科新能源有限公司