本發(fā)明涉及鋰電池，尤其涉及一種球形硅碳復合材料及其制備方法與應用。

背景技術：

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，在電動汽車，智能手機等儲能領域得到了廣泛的應用。隨著這些電子產品需求量的日益增加，人們對電池的能量密度提出了更高的要求，我國要在2025年實現(xiàn)電池單體密度為400wh/kg，2030年要爭取達到500wh/kg。但是傳統(tǒng)的石墨負極比容量已經達到了其理論極限，能量密度受到了極大限制。而硅基負極具有的極高的理論比容量(4200mah/g)，高安全性和相對低而平坦的工作電位，使其成為最具前景的負極材料。但是硅基負極具有較差的電子電導率，以及在充放電過程中較大的體積膨脹(＞300％)，導致活性物質的粉化以及電極結構的破壞，從而導致電池容量的快速衰減。

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

3、除此之外，納米硅碳材料的形貌和結構的設計在研究中也是關注的重點。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生局部應力的累積，能縮短鋰離子擴散的距離，提升納米硅碳材料的動力學性能。但是目前現(xiàn)有的技術，常規(guī)的砂磨法、碳包覆等工藝無法對納米硅碳材料形貌和結構進行精準的調控，球形形貌的調控以及合適結構設計是我們需要攻克的壁壘。

4、因此，現(xiàn)有技術還有待于改進和發(fā)展。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種球形硅碳復合材料及其制備方法與應用，以此來解決采用現(xiàn)有制備方法無法對納米硅碳材料形貌和結構進行精準調控的問題。

2、本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案如下：

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

4、將粘結劑溶于第一溶劑中，進行第一攪拌處理，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、第二溶劑和導電劑，進行第三攪拌處理，得到第三攪拌物；

7、對所述第三攪拌物進行噴霧干燥處理，得到所述球形硅碳復合材料，所述球形硅碳復合材料包括由石墨片堆疊而成的球狀結構以及結合在所述球狀結構表面的硅。

8、優(yōu)選的，將粘結劑溶于第一溶劑中，進行第一攪拌處理，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劑，設置真空攪拌釜參數(shù)，進行第一攪拌處理，第一攪拌處理的時間為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，設置真空攪拌釜參數(shù)，進行第二攪拌處理，第二攪拌處理的時間為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、第二溶劑和導電劑，進行第三攪拌處理，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、第二溶劑和導電劑，設置真空攪拌釜參數(shù)，進行第三攪拌處理，第三攪拌處理的時間為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：進口溫度為100-300℃，出口溫度為60-120℃，霧化盤轉速為150-300hz，風機頻率為15-40hz。

15、優(yōu)選的，所述第三攪拌物中，石墨與硅源的質量比為(3-8)：(3-6)，石墨與粘結劑的質量比為(95-100)：(1-5)，石墨與導電劑的質量比為(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，所述粘結劑選自cmc粘結劑、pvdf粘結劑、pmma粘結劑中的一種，所述導電劑選自碳納米管、導電炭黑、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至少兩次。

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

19、和/或，所述球形硅碳復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合材料在鋰離子電池制備中的應用。

21、有益效果：

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

技術特征：

1.一種球形硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的球形硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，將粘結劑溶于第一溶劑中，進行第一攪拌處理，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劑，設置真空攪拌釜參數(shù)，進行第一攪拌處理，第一攪拌處理的時間為5-150min，得到第一攪拌物；

3.根據(jù)權利要求1所述的球形硅碳復合材料的制備方法，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，設置真空攪拌釜參數(shù)，進行第二攪拌處理，第二攪拌處理的時間為5-150min，得到第二攪拌物；

4.根據(jù)權利要求1所述的球形硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，向所述第二攪拌物中加入硅源、第二溶劑和導電劑，進行第三攪拌處理，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、第二溶劑和導電劑，設置真空攪拌釜參數(shù)，進行第三攪拌處理，第三攪拌處理的時間為5-150min，得到第三攪拌物；

5.根據(jù)權利要求1所述的球形硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述噴霧干燥處理的參數(shù)為：進口溫度為100-300℃，出口溫度為60-120℃，霧化盤轉速為150-300hz，風機頻率為15-40hz。

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

7.根據(jù)權利要求1所述的球形硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述硅源選自納米硅、微米硅、多孔硅中的一種，所述粘結劑選自cmc粘結劑、pvdf粘結劑、pmma粘結劑中的一種，所述導電劑選自碳納米管、導電炭黑、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)權利要求1所述的球形硅碳復合材料的制備方法，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至少兩次。

9.一種球形硅碳復合材料，其特征在于，所述球形硅碳復合材料包括由石墨片堆疊而成的球狀結構以及結合在所述球狀結構表面的硅；

10.權利要求9所述的球形硅碳復合材料在鋰離子電池制備中的應用。

技術總結
本發(fā)明公開了一種球形硅碳復合材料及其制備方法與應用，制備方法包括：將粘結劑溶于第一溶劑中，進行第一攪拌處理，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、第二溶劑和導電劑，進行第二攪拌處理，得到第三攪拌物；對所述第三攪拌物進行噴霧干燥處理，得到所述球形硅碳復合材料，所述球形硅碳復合材料包括石墨片堆疊而成的球狀結構(石墨層)以及結合在所述球狀結構表面的硅。本發(fā)明制備的球形硅碳復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，且該石墨層上結合著納米硅，縮短了鋰離子的擴散距離，兩者的結合十分緊密，有利于鋰離子電池的動力學性能。

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