本發(fā)明涉及鋰電池，尤其涉及一種球形硅碳復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、鋰離子電池具有能量密度高，環(huán)境友好，循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車，智能手機(jī)等儲(chǔ)能領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著這些電子產(chǎn)品需求量的日益增加，人們對(duì)電池的能量密度提出了更高的要求，我國要在2025年實(shí)現(xiàn)電池單體密度為400wh/kg，2030年要爭取達(dá)到500wh/kg。但是傳統(tǒng)的石墨負(fù)極比容量已經(jīng)達(dá)到了其理論極限，能量密度受到了極大限制。而硅基負(fù)極具有的極高的理論比容量(4200mah/g)，高安全性和相對(duì)低而平坦的工作電位，使其成為最具前景的負(fù)極材料。但是硅基負(fù)極具有較差的電子電導(dǎo)率，以及在充放電過程中較大的體積膨脹(＞300％)，導(dǎo)致活性物質(zhì)的粉化以及電極結(jié)構(gòu)的破壞，從而導(dǎo)致電池容量的快速衰減。

2、為了克服這些問題，可以將硅顆粒細(xì)化到納米尺度，縮小鋰離子的擴(kuò)散路徑，緩解體積膨脹效應(yīng)，而石墨等碳材料有較高的導(dǎo)電性和倍率性能，因此兩者復(fù)合形成的納米硅碳材料結(jié)合了兩者的優(yōu)勢(shì)，有較高的產(chǎn)業(yè)化前景。

3、除此之外，納米硅碳材料的形貌和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在研究中也是關(guān)注的重點(diǎn)。有研究表明球形的納米硅碳材料可以緩解硅在膨脹過程中產(chǎn)生局部應(yīng)力的累積，能縮短鋰離子擴(kuò)散的距離，提升納米硅碳材料的動(dòng)力學(xué)性能。但是目前現(xiàn)有的技術(shù)，常規(guī)的砂磨法、碳包覆等工藝無法對(duì)納米硅碳材料形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)的調(diào)控，球形形貌的調(diào)控以及合適結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是我們需要攻克的壁壘。

4、因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種球形硅碳復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用，以此來解決采用現(xiàn)有制備方法無法對(duì)納米硅碳材料形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控的問題。

2、本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明的第一方面，提供一種球形硅碳復(fù)合材料的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

4、將粘結(jié)劑溶于第一溶劑中，進(jìn)行第一攪拌處理，得到第一攪拌物；

5、向所述第一攪拌物中加入石墨，進(jìn)行第二攪拌處理，得到第二攪拌物；

6、向所述第二攪拌物中加入硅源、第二溶劑和導(dǎo)電劑，進(jìn)行第三攪拌處理，得到第三攪拌物；

7、對(duì)所述第三攪拌物進(jìn)行噴霧干燥處理，得到所述球形硅碳復(fù)合材料，所述球形硅碳復(fù)合材料包括由石墨片堆疊而成的球狀結(jié)構(gòu)以及結(jié)合在所述球狀結(jié)構(gòu)表面的硅。

8、優(yōu)選的，將粘結(jié)劑溶于第一溶劑中，進(jìn)行第一攪拌處理，得到第一攪拌物的步驟，具體為：向真空攪拌釜中加入第一溶劑和粘結(jié)劑，設(shè)置真空攪拌釜參數(shù)，進(jìn)行第一攪拌處理，第一攪拌處理的時(shí)間為5-150min，得到第一攪拌物；

9、其中，所述真空攪拌釜的參數(shù)包括：攪拌速度為20-60rpm，分散速度300-3000rpm。

10、優(yōu)選的，向所述第一攪拌物中加入石墨，進(jìn)行第二攪拌處理，得到第二攪拌物的步驟，具體為：向裝有第一攪拌物的真空攪拌釜中加入石墨，設(shè)置真空攪拌釜參數(shù)，進(jìn)行第二攪拌處理，第二攪拌處理的時(shí)間為5-150min，得到第二攪拌物；

11、其中，所述真空攪拌釜的參數(shù)包括：攪拌速度為20-60rpm，分散速度300-3000rpm。

12、優(yōu)選的，向所述第二攪拌物中加入硅源、第二溶劑和導(dǎo)電劑，進(jìn)行第三攪拌處理，得到第三攪拌物的步驟，具體為：向裝有第二攪拌物的真空攪拌釜中加入硅源、第二溶劑和導(dǎo)電劑，設(shè)置真空攪拌釜參數(shù)，進(jìn)行第三攪拌處理，第三攪拌處理的時(shí)間為5-150min，得到第三攪拌物；

13、其中，所述真空攪拌釜的參數(shù)包括：攪拌速度為20-60rpm，分散速度300-3000rpm。

14、優(yōu)選的，所述噴霧干燥處理的參數(shù)為：進(jìn)口溫度為100-300℃，出口溫度為60-120℃，霧化盤轉(zhuǎn)速為150-300hz，風(fēng)機(jī)頻率為15-40hz。

15、優(yōu)選的，所述第三攪拌物中，石墨與硅源的質(zhì)量比為(3-8)：(3-6)，石墨與粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(95-100)：(1-5)，石墨與導(dǎo)電劑的質(zhì)量比為(95-100)：(1-5)。

16、優(yōu)選的，所述硅源選自納米硅、微米硅、多孔硅中的一種，所述粘結(jié)劑選自cmc粘結(jié)劑、pvdf粘結(jié)劑、pmma粘結(jié)劑中的一種，所述導(dǎo)電劑選自碳納米管、導(dǎo)電炭黑、石墨烯中的一種，所述第一溶劑選自水、酒精、甲醇中的一種，所述第二溶劑選自水、酒精、甲醇中的一種。

17、優(yōu)選的，所述第一攪拌處理、第二攪拌處理和第三攪拌處理均重復(fù)至少兩次。

18、本發(fā)明的第二方面，提供一種球形硅碳復(fù)合材料，所述球形硅碳復(fù)合材料包括由石墨片堆疊而成的球狀結(jié)構(gòu)以及結(jié)合在所述球狀結(jié)構(gòu)表面的硅；

19、和/或，所述球形硅碳復(fù)合材料由上述的制備方法制備得到。

20、本發(fā)明的第三方面，提供上述的球形硅碳復(fù)合材料在鋰離子電池制備中的應(yīng)用。

21、有益效果：

22、本發(fā)明公開了一種球形硅碳復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用，本發(fā)明方法先將硅源和石墨進(jìn)行系統(tǒng)的攪拌混合，然后通過噴霧干燥技術(shù)獲得了球形硅碳復(fù)合材料。本發(fā)明制備的球形硅碳復(fù)合材料由片狀的石墨堆疊而成(石墨層)，硅結(jié)合在石墨層表面，形成了硅包覆石墨的球形結(jié)構(gòu)。石墨層之間存在一定的空隙，為硅的體積膨脹提供了空間，且該石墨層上結(jié)合著納米硅，縮短了鋰離子的擴(kuò)散距離，兩者的結(jié)合十分緊密，有利于鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)性能。并且，本發(fā)明在硅源和石墨混合時(shí)加入了導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，粘結(jié)劑保證了兩者的緊密結(jié)合，導(dǎo)電劑和石墨層的存在很大程度上提高了鋰離子的電導(dǎo)率，從而提高了擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)。

技術(shù)特征：

1.一種球形硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，將粘結(jié)劑溶于第一溶劑中，進(jìn)行第一攪拌處理，得到第一攪拌物的步驟，具體為：向真空攪拌釜中加入第一溶劑和粘結(jié)劑，設(shè)置真空攪拌釜參數(shù)，進(jìn)行第一攪拌處理，第一攪拌處理的時(shí)間為5-150min，得到第一攪拌物；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，向所述第一攪拌物中加入石墨，進(jìn)行第二攪拌處理，得到第二攪拌物的步驟，具體為：向裝有第一攪拌物的真空攪拌釜中加入石墨，設(shè)置真空攪拌釜參數(shù)，進(jìn)行第二攪拌處理，第二攪拌處理的時(shí)間為5-150min，得到第二攪拌物；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，向所述第二攪拌物中加入硅源、第二溶劑和導(dǎo)電劑，進(jìn)行第三攪拌處理，得到第三攪拌物的步驟，具體為：向裝有第二攪拌物的真空攪拌釜中加入硅源、第二溶劑和導(dǎo)電劑，設(shè)置真空攪拌釜參數(shù)，進(jìn)行第三攪拌處理，第三攪拌處理的時(shí)間為5-150min，得到第三攪拌物；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述噴霧干燥處理的參數(shù)為：進(jìn)口溫度為100-300℃，出口溫度為60-120℃，霧化盤轉(zhuǎn)速為150-300hz，風(fēng)機(jī)頻率為15-40hz。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述第三攪拌物中，石墨與硅源的質(zhì)量比為(3-8)：(3-6)，石墨與粘結(jié)劑的質(zhì)量比為(95-100)：(1-5)，石墨與導(dǎo)電劑的質(zhì)量比為(95-100)：(1-5)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述硅源選自納米硅、微米硅、多孔硅中的一種，所述粘結(jié)劑選自cmc粘結(jié)劑、pvdf粘結(jié)劑、pmma粘結(jié)劑中的一種，所述導(dǎo)電劑選自碳納米管、導(dǎo)電炭黑、石墨烯中的一種，所述第一溶劑選自水、酒精、甲醇中的一種，所述第二溶劑選自水、酒精、甲醇中的一種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述第一攪拌處理、第二攪拌處理和第三攪拌處理均重復(fù)至少兩次。

9.一種球形硅碳復(fù)合材料，其特征在于，所述球形硅碳復(fù)合材料包括由石墨片堆疊而成的球狀結(jié)構(gòu)以及結(jié)合在所述球狀結(jié)構(gòu)表面的硅；

10.權(quán)利要求9所述的球形硅碳復(fù)合材料在鋰離子電池制備中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種球形硅碳復(fù)合材料及其制備方法與應(yīng)用，制備方法包括：將粘結(jié)劑溶于第一溶劑中，進(jìn)行第一攪拌處理，得到第一攪拌物；向所述第一攪拌物中加入石墨，進(jìn)行第二攪拌處理，得到第二攪拌物；向所述第二攪拌物中加入硅源、第二溶劑和導(dǎo)電劑，進(jìn)行第二攪拌處理，得到第三攪拌物；對(duì)所述第三攪拌物進(jìn)行噴霧干燥處理，得到所述球形硅碳復(fù)合材料，所述球形硅碳復(fù)合材料包括石墨片堆疊而成的球狀結(jié)構(gòu)(石墨層)以及結(jié)合在所述球狀結(jié)構(gòu)表面的硅。本發(fā)明制備的球形硅碳復(fù)合材料的石墨層之間存在一定的空隙，為硅的體積膨脹提供了空間，且該石墨層上結(jié)合著納米硅，縮短了鋰離子的擴(kuò)散距離，兩者的結(jié)合十分緊密，有利于鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)性能。

技術(shù)研發(fā)人員：慈立杰,危廣路,吉鳳君,李德平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）（哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳科技創(chuàng)新研究院）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19