(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111623676.2 (22)申请日 2021.12.28 (71)申请人 长沙矿冶研究院有限责任公司 地址 410000 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路966号 (72)发明人 汤刚　彭青姣　罗磊　罗列科　 杨乐之　涂飞跃　曹景超　刘云峰　 封青阁　刘依卓子 　覃事彪　 (74)专利代理 机构 长沙朕扬知识产权代理事务 所(普通合伙) 43213 专利代理师 段红玉 (51)Int.Cl. H01M 4/36(2006.01) H01M 4/587(2010.01) H01M 4/62(2006.01)H01M 10/0525(2010.01) (54)发明名称 一种硅碳负极材 料及其制备方法 (57)摘要 本发明提供了一种硅碳负极材料及其制备 方法， 硅碳负极材料包括内核和碳包覆层， 碳包 覆层包覆于内核的表面， 内核中分散有碳包覆纳 米硅， 碳包覆纳米硅包括由纳米硅颗粒通过粘结 碳形成的二次颗粒。 制备方法包括以下步骤： (1) 纳米硅、 有机粘结剂 Ⅰ分散于有机溶剂中， 形成浆 料； (2)将浆料干燥， 制备干燥粉料； (3)加入有机 粘结剂Ⅱ， 经包覆造粒制备得到包覆颗 粒； (4)将 包覆颗粒进行烧结碳化处理， 得碳化颗粒； (5)对 碳化颗粒表面包覆沥青， 通过碳化处理， 得硅碳 负极材料。 本发 明可有效缓解硅碳应用过程中的 膨胀问题， 解决硅与石墨等碳材界面结合力， 从 而有效解决硅碳应用中存在的问题。 权利要求书1页 说明书7页 附图1页 CN 114447293 A 2022.05.06 CN 114447293 A 1.一种硅碳负极材料， 其特征在于， 所述硅碳负极材料包括内核和碳包覆层， 碳包覆层 包覆于内核的表面， 所述内核中分散有碳包覆纳米硅， 所述碳包覆纳米硅包括由纳米硅颗 粒通过粘结碳形成的二次颗粒。 2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料， 其特征在于， 所述内核中还分散有导电碳质颗 粒。 3.根据权利要求2所述的硅碳负极材料， 其特征在于， 所述内核中的碳包覆纳米硅颗粒 和导电碳质颗粒通过粘结碳层形成一整体。 4.根据权利要求1 ‑3中任一项所述的硅碳负极材料， 其特征在于， 所述碳包覆纳米硅的 粒径D50为0.5 ‑5um， 所述纳米硅的粒径D50为20 ‑150nm； 所述内核的粒径D50为5 ‑50um， 所述 碳包覆层的平均厚度为10 ‑100nm。 5.一种硅碳负极材 料的制备 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： (1)将纳米硅、 有机粘结剂 Ⅰ分散于有机溶剂中， 形成浆料； (2)将所述 浆料进行干燥， 制备干燥粉料； (3)将所述干燥粉料与导电碳质颗粒混合均匀， 得混合料； 向所述混合料中加入有机粘 结剂Ⅱ， 经造粒制备 得到包覆颗粒。 (4)将经步骤(3)得到的包覆颗粒进行烧结碳 化处理， 得到碳 化颗粒； (5)对所述 碳化颗粒进行表面 碳包覆处 理， 得到所述硅碳负极材 料。 6.根据权利要求5所述的制备方法， 其特征在于， 步骤(1)中， 所述纳米硅的粒径D50为 20‑150nm； 所述有机粘 结剂Ⅰ与纳米硅的质量比为1:(1 ‑50)； 所述有机粘结剂 Ⅰ为聚乙烯、 聚 丙烯酸、 聚乙烯吡咯烷酮、 酚醛树脂中的一种或几种； 所述溶剂包括乙醇、 N ‑甲基吡咯烷酮 中的至少一种。 7.根据权利要求5所述的制备方法， 其特征在于， 步骤(3)中， 所述干燥粉料的粒径D50 为0.5‑5um， 所述导电碳质颗粒的粒径D50为0.5 ‑25um； 所述干燥粉料和导电碳质颗粒的质 量比为1:(0.1 ‑50)； 所述混合料与有机粘结剂 Ⅱ的质量比为1:(0.02 ‑0.5)； 所述包覆颗粒 的粒径D5 0为5‑50um。 8.根据权利要求5所述的制备方法， 其特征在于， 步骤(3)中， 所述导电碳质颗粒为人造 石墨、 鳞片石墨、 硬碳、 石墨烯中的一种或多种； 所述有机粘结剂 Ⅱ为酚醛树脂、 环氧树脂、 油系沥青、 煤系沥青、 浸渍沥青中一种或几种。 9.根据权利 要求5‑8中任一项所述的制备方法， 其特征在于， 步骤(4)中， 所述烧结碳化 处理的具体工艺为： 控制氧含量＜100ppm， 先升温至150 ‑250℃， 保温2h， 再升温至250 ‑400 ℃， 保温2h； 然后升温至600 ‑800℃， 保温2h， 最后升温至9 00‑1000℃， 保温2h， 然后自然冷却 至室温。 10.根据权利要求5 ‑8中任一项所述的制备方法， 其特征在于， 所述步骤(5)具体包括以 下步骤： 将所述碳化颗粒表面包覆沥青， 通过碳化处理后， 得到所述硅碳负极材料； 所述沥 青与碳化颗粒的质量比为(0.1 ‑40)： 100。 11.根据权利要求10所述的制备方法， 其特征在于， 步骤(5)中所述碳化处理的具体工 艺为： 控制氧含量＜100ppm， 先升温至600 ‑800℃， 保温2h， 再升温至900 ‑1000℃， 保温2h； 然 后自然冷却至室温。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114447293 A 2一种硅碳负极材料及其制备方 法 技术领域 [0001]本发明属于锂离子电池材料技术领域， 尤其涉及一种硅碳负极材料及其制备方 法。 背景技术 [0002]锂离子电池发展至今， 已被广泛应用于动力电池， 数码3C和储能领域。 商用锂离子 电池以三元或磷酸铁锂作为正极材料， 搭配传统的石墨负极材料， 电芯单体能量密度可达 140‑230Wh/kg。 [0003]新能源汽车、 手机、 平板等终端产品发展， 对锂电池能量密度、 续航有更高的需求， 这将加快高容量负极材料 的应用。 更高的正极比容量、 更高的负极比容量和更高的电池电 压(以及更少的辅助 组元)是高能量密度电池的理论实现路径。 石墨作为传统负极材料， 当 前比容量达到350 ‑360mAh/g， 已接近理论比容量372mAh/g， 难以满足 需求。 硅作为新型负极 材料， 理论比容量远高于石墨(石墨10倍以上， 达到4200mAh/g)， 且对锂电压不高， 有望成为 高能量密度锂电池的下一代负极材 料。 [0004]尽管硅相比石墨容量有很大优势， 但其在应用过程中存在2个致命技术问题。 嵌锂 过程中明显本征体积 变化， 膨胀率达到300％(石墨膨胀率12％)， 将直接导致电池循环存在 安全隐患。 硅与电解液反 复接触与反应， 面临劣化电池性能问题。 通过材料改性和电池体系 优化， 提高首次效率和降低膨胀是硅基材 料大规模商业 化应用的关键 。 [0005]专利CN107221673A公开了一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法。 通过气相包 覆在硅表面沉积碳、 沥青内部包覆粘结、 碳微球混合得到硅碳负极材料。 该材料硅颗粒分布 均匀、 表面包覆完整、 硅颗粒基本不与电解液接触， 且碳微球可为膨胀提供很好的容纳空 间。 但该专利并未解决硅与混合碳之间的结合情况， 仅采用物理混合方式， 难以解决硅膨胀 导致极片脱落应用问题。 [0006]专利CN109585802A公开了一种高压实密度的锂离子电池硅碳负极材料及其制备 方法。 通过球磨、 压制成型、 酸洗等工艺将碳基体、 硅颗粒进 行复配， 得到的硅碳负极材料具 备1.6g/cm3以上的高压实密度， 比表面不 高于10m2/g， 首次库伦效率高于85％。 但同样并未 解决硅与碳基体之间的结合问题， 仅通过压制成型促使硅与碳基体复配， 难以确保硅在膨 胀过程中逐渐与碳分离， 且该 方法涉及氢氟酸 酸洗， 规模化应用存在环保压力。 [0007]因此， 开发一种结构稳定且易工业化、 可大规模商业用的硅碳负极材料是亟待解 决的关键问题。 发明内容 [0008]本发明所要解决的技术问题是， 克服以上背景技术中提到 的不足和缺陷， 提供一 种硅碳负极材料及其制备方法， 可有效缓解硅碳应用过程中的膨胀问题， 解决硅与石墨等 碳材界面结合力， 从而 有效解决硅碳应用中存在的问题。 [0009]为解决上述 技术问题， 本发明提出的技 术方案为：说　明　书 1/7 页 3 CN 114447293 A 3