一种双碳包覆硅氧可控预锂化材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于锂离子电池的，尤其涉及一种双碳包覆硅氧可控预锂化材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，为解决人类社会面临的环境污染和能源危机问题，研发新型能源技术得到了广泛的发展。其中锂离子电池作为绿色能源技术的代表，已广泛应用于便携式电子产品、电动汽车等领域。然而随着产业规模的不断发展，人们对电子产品更长的使用时间和更长的电动汽车行驶距离提出更高的要求，传统的石墨阳极仅具有372mah g-1的低理论容量，不能满足需求，因此研究者开始广泛研究具有3580mah g-1的高理论容量si负极来取代传统石墨材料。

2、然而，硅负极的商业化目前是不可实现的，这是硅材料在电化学反应过程中，由于锂离子的嵌入/脱出产生严重的体积变化(≈300％)，这会导致它们从集流体上脱离，以及形成不稳定的固体电解质界面(sei)，从而导致严重的容量衰退。在硅基负极材料中，纳米硅氧材料因其优异的可逆容量、循环性能和成本效益而备受关注，然而，硅氧负极的几个关键问题阻碍了其在锂离子电池中的商业化应用。其中一个突出的挑战是抑制硅基材料的体积膨胀，提高电池的循环寿命，另一个挑战是较低的初始库仑效率(ice)，这是由于第一次循环中硅酸盐锂(li2sio3、li2si2o5和li4sio4)和li2o的组成，这些反应是不可逆的，在随后的循环中不活跃，导致电池实际能量密度的损失。目前研究主要关注在硅氧负极的导电性较差，因此通过加入碳起到一定的增强电子传导和调节体积膨胀的作用，但是仍然会存在较低的库伦效率，进而造成容量保持率的下降。

技术实现思路

1、针对硅基材料负极锂离子电池的容量保持率低的技术问题，本发明提出一种双碳包覆硅氧可控预锂化材料及其制备方法和应用，所制备双碳包覆硅氧可控预锂化材料可以显著提高首圈库伦效率，降低首圈放电比容量。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种双碳包覆硅氧可控预锂化材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将硅氧化物与锂源混合制备混合料；

5、(2)将碳纳米管、有机碳源分散溶解在溶剂中配制成浆料；所述溶剂为水；

6、(3)将混合料与浆料混合后喷雾干燥，得到粉体，将粉体在惰性气体氛围中进行煅烧，制得双碳包覆硅氧可控预锂化材料。进行喷雾干燥造粒，物料本身不承受高温，不容易造成材料的破碎和缺陷。

7、所述锂源为氢氧化锂、碳酸锂、氮化锂或硫化锂中的任一种或两种以上；所述硅氧化物与锂源的质量比为(30-50)：1。

8、所述有机碳源为蔗糖、壳聚糖、葡萄糖或尿素中的两种以上；所述硅氧化物、碳纳米管与有机碳源的质量比为(10-40)：(0.01-0.1)：(1-10)；浆料中有机碳源的浓度为0.5-3wt％。

9、所述浆料中还添加有羧甲基纤维素钠，羧甲基纤维素钠在浆料中的浓度为0.01-0.5wt％。通过添加羧甲基纤维素钠提高碳纳米管的分散性，使均匀程度提高高，避免出现团聚，进而影响后续的包覆效果。同时，羟甲基纤维素钠具有粘结作用，可以使得碳纳米管与硅氧粘结在一起，进而弥补硅氧材料自身导电性较差的问题。

10、所述浆料中还添加有酸性试剂，所述酸性试剂为盐酸、甲酸、乙酸、乳酸、苹果酸、抗坏血酸；酸性试剂与有机碳源的质量比为1：(0.5-2)。加入酸性试剂后能使得浆料中有机碳源进行活化。

11、所述煅烧的温度为700-900℃，保温时间为10-30min；所述惰性气体为氩气或氮气。通过煅烧使双碳源与硅氧、锂化合物聚合反应，结合力更强，保证后续材料的结构稳定。

12、一种电极片，将双碳包覆硅氧可控预锂化材料、导电剂和粘结剂混合后涂覆在集流体上，制得电极片。

13、所述碳包覆硅氧材料、导电剂和粘结剂的质量比为(7-9.3)：(0.3-2)：(0.4-1)，所述导电剂为乙炔黑、科琴黑、导电石墨或super p中的任一种；所述粘结剂丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸。

14、一种锂离子电池，负极为上述电极片。

15、本发明的有益效果：本发明通过加入两种不同类型的有机碳源，然后进行高温反应，并将有机碳源行活化处理，使得与硅氧材料以及锂化合物结合更紧密，后续包覆效果更好。本发明通过双碳共同作用进一步增强粒子之间和表面电子的导电率，并且抑制材料的体积膨胀，提高电池循环稳定性。通过控制预锂化程度，将该材料应用在锂离子电池中实现库伦效率的提升，形成更加稳定的界面sei，提高了电池的容量保持率，该技术制备过程可以使得最终产物双碳包覆均匀以及可控预锂化，可被电池制造行业采用。

技术特征：

1.一种双碳包覆硅氧可控预锂化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的双碳包覆硅氧可控预锂化材料的制备方法，其特征在于，所述锂源为氢氧化锂、碳酸锂、氮化锂或硫化锂中的任一种或两种以上；所述硅氧化物与锂源的质量比为(30-50)：1。

3.根据权利要求2所述的双碳包覆硅氧可控预锂化材料的制备方法，其特征在于，所述有机碳源为蔗糖、壳聚糖、葡萄糖或尿素中的两种以上；所述硅氧化物、碳纳米管与有机碳源的质量比为(10-40)：(0.01-0.1)：(1-10)；浆料中有机碳源的浓度为0.5-3wt％。

4.根据权利要求3所述的双碳包覆硅氧可控预锂化材料的制备方法，其特征在于，所述浆料中还添加有羧甲基纤维素钠，羧甲基纤维素钠在浆料中的浓度为0.01-0.5wt％。

5.根据权利要求4所述的双碳包覆硅氧可控预锂化材料的制备方法，其特征在于，所述浆料中还添加有酸性试剂，所述酸性试剂为盐酸、甲酸、乙酸、乳酸、苹果酸、抗坏血酸；酸性试剂与有机碳源的质量比为1：(0.5-2)。

6.根据权利要求5所述的双碳包覆硅氧可控预锂化材料的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为700-900℃，保温时间为10-30min；所述惰性气体为氩气或氮气。

7.权利要求1-6任一项所述方法制得的双碳包覆硅氧可控预锂化材料。

8.一种电极片，其特征在于，将权利要求7所述双碳包覆硅氧可控预锂化材料、导电剂和粘结剂混合后涂覆在集流体上，制得电极片。

9.根据权利要求8所述电极片，其特征在于，所述碳包覆硅氧材料、导电剂和粘结剂的质量比为(7-9.3)：(0.3-2)：(0.4-1)；所述导电剂为乙炔黑、科琴黑、导电石墨或super p中的任一种；所述粘结剂为丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸。

10.一种锂离子电池，其特征在于，负极为权利要求9所述电极片。

技术总结
本发明提出了一种双碳包覆硅氧可控预锂化材料及其制备方法和应用，属于锂离子电池的技术领域，用以解决硅基材料负极锂离子电池的容量保持率低的技术问题。双碳包覆硅氧可控预锂化材料的制备包括以下步骤：(1)将硅氧化物与锂源混合制备混合料；(2)将碳纳米管、有机碳源分散溶解在溶剂中配制成浆料；(3)将混合料与浆料混合后喷雾干燥，得到粉体，将粉体在惰性气体氛围中进行煅烧，制得双碳包覆硅氧可控预锂化材料。本发明通过双碳共同作用进一步增强粒子之间和表面电子的导电率，并且抑制材料的体积膨胀，提高电池循环稳定性。通过控制预锂化程度，将该材料应用在锂离子电池中实现库伦效率的提升，提高了电池的容量保持率。

技术研发人员：霍锋,钱程,郭真真,刘凡,刘景博,柴丰涛,刘艳侠
受保护的技术使用者：郑州中科新兴产业技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8