一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法与流程

本发明涉及锂离子电池材料，具体涉及一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法。

背景技术：

1、现阶段商业化锂离子电池所用的负极活性材料极大部分为传统石墨负极材料，其理论容量为370mah/g，难以支撑300wh/kg的锂离子电池能量密度水平。然而，硅基材料的出现正好弥补目前锂离子电池能量密度的不足，其具有最高的理论比容量、适中的脱锂电位和储量丰富27.6％等特点，因而受到研究者们极大的重视。然而，硅负极材料迟迟未能实现大范围的商业化应用。在具备诸多优势的同时，硅基材料同样具有若干劣势。首先，硅负极材料在充放电过程中会经历高达300％以上的体积膨胀，易导致电极材料粉碎，与集流体、电极导电网络脱离接触，同时体积变化带来新表面的产生，需要形成新的sei界面膜从而导致对电解液的大量消耗，进而导致循环寿命的大幅度降低。另一方面，硅的电导率、锂离子扩散速度均低于石墨，这将限制硅在大电流大功率条件下的性能表现。因此，继续开发一种碳包覆硅基负极材料以改善其体积膨胀和导电率，是极有必要的。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法，能够改善硅基材料的体积膨胀效应，同时提高硅基材料的导电性，从而提高锂离子电池的循环性能。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、设计一种锂离子电池硅基负极材料的制备方法，所述的硅基负极材料包含硅基材料及其表面的包覆层，其制备方法包括以下步骤：

4、s1：将马来酰亚胺聚二乙醇羧基和二氯甲烷加入至充满惰性气体的反应器中，加入三聚氰胺，搅拌至完全溶解，再加入4-二甲氨基吡啶和二环己基碳二亚胺，搅拌反应5-20h，经过过滤、清洗、烘干得到反应产物；

5、s2；将硅基材料加入至溶剂中，超声处理30-90min，转入至水热反应釜中，加入s1所制备的反应产物，调节温度至150-200℃，反应1-5h，得到凝胶产物；

6、s3：将s2制备的凝胶产物冷冻干燥，然后置于管式炉中，在惰性气体保护下，以2℃/min的升温速率，升温至200-400℃，热处理2-4h，然后以5℃/min的升温速率，升温至500-800℃，煅烧2-5h，冷却至室温得到碳包覆硅基材料。

7、优选的，所述的硅基材料选自氧化亚硅、硅纳米颗粒、硅纳米线及多孔硅中的一种或多种。

8、优选的，所述的硅基材料经硅烷偶联剂改性，改性采用的硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、乙烯基三叔丁氧基硅烷、乙烯基三叔丁氧基过氧硅烷中的一种或多种。改性方法为现有技术，这里不再详述。

9、优选的，所述步骤s1制备的反应产物结构式如式i所示，

10、

11、优选的，步骤s2中，所述的硅基材料和s1所制备的反应产物质量比为1:0.1-2。

12、优选的，步骤s1中所述惰性气体为氮气，步骤s3中所述惰性气体为氩气。

13、本发明还保护上述制备方法制得的锂离子电池硅基负极材料。

14、本发明的有益效果在于：

15、本发明通过马来酰亚胺聚二乙醇羧基、二氯甲烷、三聚氰胺，和4-二甲氨基吡啶和二环己基碳二亚胺之间的反应，合成一种新型的含有双键活性基团化合物，再通过与含双键的硅烷偶联剂改性硅基材料在水热釜中原位交联反应形成凝胶产物，经冷冻干燥，可在硅基材料表面形成一层均匀含氮杂环和酰亚胺的多孔结构层，有效地缓解硅基材料在充放电过程中巨大的体积膨胀效应，经过低温热处理和煅烧后形成均匀碳包覆层，保留了氮杂环和酰亚胺结构，明显地改善了硅基材料的体积膨胀效应，同时提高硅基材料的导电性，从而提高锂离子电池的循环性能。

技术特征：

1.一种锂离子电池硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述的硅基负极材料包含硅基材料及其表面的包覆层，其制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的锂离子电池硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述的硅基材料选自氧化亚硅、硅纳米颗粒、硅纳米线及多孔硅中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述的硅基材料经硅烷偶联剂改性，改性采用的硅烷偶联剂选自乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(2-甲氧基乙氧基)硅烷、乙烯基三乙酰氧基硅烷、乙烯基三叔丁氧基硅烷、乙烯基三叔丁氧基过氧硅烷中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤s1制备的反应产物结构式如式i所示，

5.如权利要求1所述的锂离子电池硅基负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述的硅基材料和s1所制备的反应产物质量比为1:0.1-2。

6.如权利要求1所述的锂离子电池硅基负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中所述惰性气体为氮气，步骤s3中所述惰性气体为氩气。

7.一种锂离子电池硅基负极材料，特征在于，由权利要求1-6任意一项的制备方法制备得到。

技术总结
本发明公开了一种锂离子电池硅基负极材料及其制备方法，硅基负极材料包含硅基材料及其表面的包覆层，所述的硅基材料经硅烷偶联剂改性，将马来酰亚胺聚二乙醇羧基和二氯甲烷加入至充满惰性气体的反应器中，加入三聚氰胺，搅拌至完全溶解，再加入4‑二甲氨基吡啶和二环己基碳二亚胺，搅拌反应，经过过滤、清洗、烘干得到反应产物；再将经硅烷偶联剂改性的硅基材料加入至溶剂中，超声处理后转入至水热反应釜中，反应得到凝胶产物；将得到的凝胶产物冷冻干燥，然后置于管式炉中，在惰性气体保护下经热处理和煅烧后，冷却至室温得到碳包覆硅基材料。本发明改善了硅基材料的体积膨胀效应，同时提高硅基材料的导电性，从而提高锂离子电池的循环性能。

技术研发人员：李红,田勇,李辉,张家博
受保护的技术使用者：白银大象能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13