缓解界面应力的硅/石墨负极材料及其制备方法

本发明属于锂离子二次电池制备方法，具体涉及缓解界面应力的硅/石墨负极材料，还涉及缓解界面应力的硅/石墨负极材料的制备方法。

背景技术：

1、硅基负极材料是一类极具发展前景的新型高能材料。然而，硅的电子电导率和离子电导率较低，导致其电化学反应的动力学性能较差；普通纯硅的循环稳定性较差。而且硅在锂化过程中的相变和体积膨胀会产生较大的应力，致使电极断裂粉化、电阻增大、循环性能骤降。

2、目前针对硅基负极材料的研究主要是将硅粉与碳源材料进行球磨混合后热解，以制备硅/碳复合材料，以缓解电池充放电过程中的体积膨胀现象，提高硅基材料的循环性能。然而，现有的硅/碳复合材料的制备方法，还存在着一定的不足之处，例如，碳源的选择范围受限，成本高且效果不佳，循环性能改善并不明显等。硅/石墨复合材料具有高比容量和改进的循环稳定性。然而，硅和石墨之间的内在差异，例如体积膨胀和锂离子扩散动力学的不等，会导致硅和石墨之间结合能力差。通过球磨和喷雾干燥将碳纳米管引入和无定形碳引入到硅/石墨体系中，有效地缓解了直接接触界面处的应力集中，形成了三维导电结构。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供缓解界面应力的硅/石墨负极材料，解决了硅负极储锂过程中存在严重的体积膨胀的问题。

2、本发明的另一个目的是提供缓解界面应力的硅/石墨负极材料的制备方法。

3、本发明所采用的第一个技术方案是，缓解界面应力的硅/石墨负极材料，包括纳米硅、石墨、无定形碳和碳纳米管，在si与石墨体系中引入无定形碳和碳纳米管构成缓解界面应力。

4、本发明所采用的第二个技术方案是，缓解界面应力的硅/石墨负极材料的制备方法，具体按以下步骤实施：

5、步骤1，取纳米硅、碳纳米管，超声分散于溶剂中，得到均匀分散的复合体系；

6、步骤2，向复合体系加入石墨以及聚乙烯吡咯烷酮、酚醛树脂，混合进行球磨，得到硅/碳纳米管/石墨/无定形碳溶液。

7、步骤3，向步骤2得到的硅/碳纳米管/石墨/无定形碳溶液中加入酒精，搅拌得到均匀的硅/碳纳米管/石墨/碳溶液；

8、步骤4，将步骤3中的硅/碳纳米管/石墨/碳溶液进行喷雾干燥来去溶剂化，干燥得到硅/碳纳米管/石墨/碳的前驱体材料；

9、步骤5，将前驱体材料通过高温热解制得碳纳米管、无定形碳以及硅/石墨构成的缓解界面应力的硅/石墨负极材料。

10、本发明另一技术方案的特点还在于，

11、步骤1中的溶剂为90ml的无水乙醇。

12、步骤2中球磨的球料比为1：40。

13、步骤3中的碳源为聚乙烯吡咯烷酮和酚醛树脂。

14、步骤4中喷雾干燥的具体操作为：将步骤3得到的硅/碳纳米管/石墨/碳溶液蒸发至50ml，随后将喷雾干燥的进口温度升温至200℃，进行去溶剂化处理。

15、步骤4中干燥处理为真空干燥，干燥温度为60℃-80℃，保温时间12h-24h。

16、步骤5中高温热解具体为：将步骤4得到硅/碳纳米管/石墨/碳的前驱体粉末转移至管式炉中，在惰性气体的氛围下，以3℃/min-5℃/min的升温速率，加热到700℃-900℃并保持1h-4h，随炉冷却降至室温

17、本发明的有益效果是：

18、本发明缓解界面应力的硅/石墨负极材料通过球磨和喷雾干燥成功地将碳纳米管引入si/碳(c)复合材料中，有效地缓解了直接接触界面处的应力集中，形成了三维导电结构。此外，碳纳米管和非晶态c作为“润滑剂”进一步改善了si和g之间的固有差异。另外，本发明的方法制备的材料为锂离子电池硅负极提供了一种新型的缓解界面应力的硅/石墨负极材料。

技术特征：

1.缓解界面应力的硅/石墨负极材料，其特征在于，包括纳米硅、石墨、无定形碳和碳纳米管，在si与石墨体系中引入无定形碳和碳纳米管构成缓解界面应力。

2.缓解界面应力的硅/石墨负极材料的制备方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：

3.根据权利要求2所述的缓解界面应力的硅/石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的溶剂为90ml的无水乙醇。

4.根据权利要求2所述的缓解界面应力的硅/石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中球磨的球料比为1：40。

5.根据权利要求2所述的缓解界面应力的硅/石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的碳源为聚乙烯吡咯烷酮和酚醛树脂。

6.根据权利要求2所述的缓解界面应力的硅/石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中喷雾干燥的具体操作为：将步骤3得到的硅/碳纳米管/石墨/碳溶液蒸发至50ml，随后将喷雾干燥的进口温度升温至200℃，进行去溶剂化处理。

7.根据权利要求2所述的缓解界面应力的硅/石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4中干燥处理为真空干燥，干燥温度为60℃-80℃，保温时间12h-24h。

8.根据权利要求2所述的缓解界面应力的硅/石墨负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中高温热解具体为：将步骤4得到硅/碳纳米管/石墨/碳的前驱体粉末转移至管式炉中，在惰性气体的氛围下，以3℃/min-5℃/min的升温速率，加热到700℃-900℃并保持1h-4h，随炉冷却降至室温。

技术总结
本发明公开了缓解界面应力的硅/石墨负极材料，包括纳米硅、石墨、无定形碳和碳纳米管，在Si与石墨体系中引入无定形碳和碳纳米管构成缓解界面应力。本发明还公开了该负极的制备方法，通过球磨和喷雾干燥成功地将碳纳米管引入Si/碳(C)复合材料中，有效地缓解了直接接触界面处的应力集中，形成了三维导电结构。此外，碳纳米管和非晶态C作为“润滑剂”进一步改善了Si和G之间的固有差异。

技术研发人员：李明,李皓琪,邹星驰,李昊,王峥,孙博,于康,李文斌,李喜飞
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/2