一种硅碳负极材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于电池，具体涉及一种硅碳负极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、金属合金材料（例如硅碳材料）由于具有高比容量、高脱嵌锂电位而被广泛应用于锂离子电池负极材料中。然而硅碳材料中的硅颗粒在嵌锂过程中会发生严重的体积膨胀，进而引起活性材料颗粒的破碎与粉化，并破坏了颗粒表面已有的sei膜，加剧了电芯的容量衰减。目前主要通过减小颗粒尺寸来降低硅颗粒的体积膨胀，例如采用纳米硅颗粒作为原料。但是，由于纳米硅颗粒具有高比表面积，在制备过程中分散性较差，容易团聚，分布不均匀，制备得到的硅碳负极材料的粒径均一性差，进而影响硅碳材料的循环稳定性。因此，如何提供一种循环稳定性好的硅碳材料是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种硅碳负极材料及其制备方法和应用，该制备方法中通过引入聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物并配合特定的工艺，能够得到粒径较小、粒径分布窄、稳定性好的硅颗粒，再配合具有熔融特性的碳源实现均匀包覆，避免出现硅颗粒的分散性差、容易团聚且碳层包覆不均匀的现象，能够得到粒径小、粒径分布窄的硅碳负极材料，从而改善由该硅碳负极材料组装的电池的循环稳定性。本发明提供的硅碳负极材料，由于采用上述制备方法制得，该硅碳负极具有粒径小、粒径分布窄、均一性好等优势，将该硅碳负极材料应用于电池中，有利于改善电池的循环稳定性。本发明提供的电池，由于包括上述硅碳负极材料，该电池具有优异的循环稳定性。

2、本发明的第一方面，提供一种硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

3、s1：将dv50为5μm的硅粉、聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物、有机溶剂输送至带有氮气保护的密封罐中，在转速为1000~1500r/min的条件下分散30min，得到第一浆料；其中，所述有机溶剂包括乙醇、异丙醇、叔丁醇、乙二醇、甘油、丙酮中的至少一种；

4、s2：将所述第一浆料在30~40℃静置20~60min，进行老化处理，得到第二浆料；

5、s3：将所述第二浆料输送至粗磨机中，使用粒径为0.1~0.2mm的锆珠对所述第二浆料进行粗磨处理5~10h，得到第三浆料；其中，所述粗磨处理的转速为3000~3400r/min、压力为1.1~1.2bar；所述第三浆料中硅颗粒的dv50为100~120nm；

6、s4：将所述第三浆料输送至细磨机中，使用粒径为0.03~0.05mm的锆珠对所述第三浆料进行细磨处理5~10h，得到第四浆料；其中，所述细磨处理的转速为2000~2500r/min、压力为1.3~1.7bar；

7、所述第四浆料中硅颗粒的dv50为50~60nm，所述第四浆料中硅颗粒的dv90与硅颗粒的dv50比值为（1.35~1.5）：1；

8、s5：将包含第四浆料、有机碳源的物料在转速为3500~4000rpm/min、压力为0.2~0.3bar的条件下分散10分钟，得到粘度为400~500cps的第五浆料；所述有机碳源包括沥青、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、酚醛树脂、环氧树脂中的至少一种；

9、s6：将所述第五浆料输送至带有氮气保护的喷雾干燥塔中，在喷雾压力在0.01~0.1mpa、进风温度为200~300℃的条件下进行喷雾干燥处理，使得熔融的有机碳源均匀包覆在硅颗粒表面，得到硅碳前驱体；所述硅碳前驱体的dv50为6~14.4μm；

10、s7：将所述硅碳前驱体在800~900℃的条件下进行烧结处理2.5~3.5h，得到硅碳负极材料，所述硅碳负极材料的dv50为5~12μm；所述硅碳负极材料的dv90与dv50比值为（1.36~1.49）：1；

11、其中，累计体积分数为50%时所对应的粒径为dv50，累计体积分数为90%时所对应的粒径为dv90。

12、如上所述的制备方法，其中，

13、所述第一浆料中，以第一浆料的总质量为100质量%计，硅粉的含量为5.5质量%~15质量%；

14、所述第一浆料中，以第一浆料的总质量为100质量%计，聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物的含量为0.15质量%~1.5质量%；

15、所述硅粉与所述有机碳源的质量比为（3~7）：（3~7）。

16、如上所述的制备方法，其中，所述喷雾干燥的出口温度为60~80℃。

17、如上所述的制备方法，其中，烧结处理之后，还包括粉碎处理和筛分处理。

18、如上所述的制备方法，其中，步骤s5，所述物料还包括碳纳米管。

19、如上所述的制备方法，其中，所述碳纳米管与有机碳源的质量比为1：（1~2）。

20、如上所述的制备方法，其中，所述聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物的重均分子量为1000~1500。

21、如上所述的制备方法，其中，所述第四浆料搁置2天后dv50变化率不高于3%；

22、所述第四浆料搁置6天后dv50变化率不高于5%。

23、本发明的第二方面，提供一种硅碳负极材料，采用第一方面所述的制备方法制得。

24、本发明的第三方面，提供一种电池，包括第二方面所述的硅碳负极材料。

25、本发明的实施，至少具有以下有益效果：

26、本发明提供的硅碳负极材料的制备方法，聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物能够在硅粉颗粒表面形成疏水层，还能够通过分子的交联结构形成胶束包裹硅颗粒，有效地隔离硅颗粒之间的相互作用力，从而阻止团聚的形成，有助于提高硅颗粒的分散性和稳定性，确保硅颗粒在材料中的分布均匀性，同时，通过特定工艺的分散处理、老化处理、粗磨处理、细磨处理，有利于得到粒径小、粒径分布窄、稳定性好的硅颗粒；再配合具有熔融特性的碳源实现均匀包覆，能够得到粒径小、粒径分布窄的硅碳负极材料，从而改善由该硅碳负极材料组装的电池的循环稳定性。

技术特征：

1.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一浆料中，以第一浆料的总质量为100质量%计，硅粉的含量为5.5质量%~15质量%；

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述喷雾干燥的出口温度为60~80℃。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，烧结处理之后，还包括粉碎处理和筛分处理。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s5，所述物料还包括碳纳米管。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管与有机碳源的质量比为1：（1~2）。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物的重均分子量为1000~1500。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第四浆料搁置2天后dv50变化率不高于3%；

9.一种硅碳负极材料，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的制备方法制得。

10.一种电池，其特征在于，包括权利要求9所述的硅碳负极材料。

技术总结
本发明提供一种硅碳负极材料及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：将硅粉、聚氧丙烯聚氧乙烯共聚物、有机溶剂输送至带有氮气保护的密封罐，经分散后得到第一浆料；将第一浆料进行老化处理，经粗磨处理、细磨处理后，得到第四浆料，将第四浆料、有机碳源混合进行分散处理，经喷雾干燥处理、烧结处理后，得到硅碳负极材料。通过特定工艺的分散处理、老化处理、粗磨处理、细磨处理，能够得到粒径小、粒径分布窄的硅碳负极材料，从而改善由该硅碳负极材料组装的电池的循环稳定性。

技术研发人员：李源林,龚本利,李钊宽
受保护的技术使用者：琥崧科技集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15