一种硅基防爆防燃锂离子电池负极材料及制备方法和应用

1.本发明属于锂离子电极技术领域，具体涉及一种硅基防爆防燃锂离子电池负极材料及制备方法和应用。


背景技术：

2.锂离子电池作为一种长寿命、高能量密度的能源载体。随着技术不断更迭，广泛应用于新能源汽车的动力驱动，然而随着锂离子动力电池能量密度的不断提升以及电动汽车市场保有率不断增长，锂离子电池燃烧、爆炸导致电动车燃烧、爆炸的事故时有发生。
3.负极作为锂离子电池的重要组成部分，通常锂离子电池负极的制备方法为将粘结剂、导电剂和石墨等极片材料研磨成浆料；随后将配好的浆料涂覆在铜箔表面；待浆料干燥后，切割成需要的性状即可使用。而在此过程中，铜箔不但作为集电体同时还为石墨等负极材料提供附着载体的作用，然而这种薄层结构降低了li
+
嵌入石墨层间的速度。
4.当电池过充电时，随着充电倍率的增大，li
+
在石墨负极表面富集，增大了锂枝晶的形成几率；同时，过大的电流也导致电池产生的焦耳热升高，温度升高速率加快，造成电池热失控；而在循环过程中，负极析锂并在低温下和电解液发生反应，容易引起电池热失控、触发温度降低以及自产热速率增高的问题。目前，解决锂离子电池防燃的措施仅仅是通过简单的预防措施来实现小范围隔离，而对热扩散的考虑有所欠缺。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基防爆防燃锂离子电池负极材料及制备方法和应用，不再使用传统铜箔作为基底，利用天然陶土本身所具有的三维孔隙结构构建三维负极材料，陶土所具有的孔隙可以容纳更多的硅基材料，同时陶土本身的三维间隔空间还可以有效防止锂离子电池燃烧中的连锁反应，解决现有锂离子电池负极材料在析理反应导致热失控的技术问题。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.本发明提供了一种硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
8.s1：将纳米硅粉、导电物质以及陶土混合后球磨，使其混合均匀获得混合物；
9.s2：在混合物中加入水并搅拌至完全湿润后施压制得极片；
10.s3：将极片在设定温度下烘干后在梯度设定温度下烧制，获得硅基防爆防燃锂离子电池负极材料。
11.在具体实施过程中，所述s1中，所述纳米硅粉、导电物质以及陶土的质量比为1：(2～6)：(4～8)。
12.在具体实施过程中，所述导电物质为导电碳、乙炔黑、碳纳米管以及石墨烯中的一种。
13.在具体实施过程中，所述s1中，所述球磨的时间不少于15min。
14.在具体实施过程中，所述s2中，所述极片的面积为1cm2；所述极片的厚度为0.2
±
0.1mm。
15.在具体实施过程中，所述s3中，所述设定温度为40～60℃；所述梯度设定温度包括第一梯度温度以及第二梯度温度，所述第二梯度温度大于第一梯度温度；
16.所述第一梯度温度为100～200℃，所述第二梯度温度为200～400℃。
17.本发明提供了一种根据任意一项所述的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的制备方法制得的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料。
18.本发明还提供了一种根据所述的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料在锂离子电池中的应用。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.本发明提供了一种硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的制备方法，利用纳米硅粉即硅基物质提高锂离子电池的理论比容量；使用陶土烧结方式制备出高强度三维硅碳复合锂离子负极极片，有效缓解体积形变对电极结构的影响，同时陶土所具有的多孔隙结构可以有效的容纳分隔硅基材料，有效解决锂离子爆炸过程中产生的连锁反应及二次爆炸的影响，同时降低生产成本。
21.本发明还提供了一种硅基防爆防燃锂离子电池负极材料，不再使用传统铜箔作为基底，利用天然陶土本身所具有的三维孔隙结构构建三维负极材料，通过三维间隔空间有效防止锂离子电池燃烧中的连锁反应，避免现有锂离子电池负极材料在析理反应导致热失控的技术问题。
附图说明
22.图1为本发明的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的扫描电镜图。
具体实施方式
23.为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
24.本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。
25.本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。
26.本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由
……
组成”和“主要由
……
组成”的意思，例如“a包含a”涵盖了“a包含a和其他”和“a仅包含a”的意思。
27.本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范
围。
28.本发明提供了一种硅基防爆防燃锂离子电池负极材料及制备方法和应用。
29.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
30.下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品，其规格为本领域常规规格。在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示重量百分比，“份”都表示重量份，比例都表示重量比。
31.本发明公开了一种硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
32.s1：在烧杯中加入质量比为1：(2-6)：(4-8)的纳米硅粉、导电物质以及陶土混合球磨，使其混合均匀，获得混合物；
33.s2：在s1的混合物中加入少量的水搅拌至完全润湿后压制成面积为1cm2厚度为0.2
±
0.1mm的极片，低温烘干后使用马弗炉梯度高温烧制。
34.作为可选方案，导电物质为导电碳、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯中的一种；球磨时间不少于15min，极片厚度误差不超过0.1mm。
35.低温烘干温度为40～60℃，梯度高温烧制的温度包括第一梯度温度以及大于第一梯度温度的第二梯度温度，第一梯度温度为100～200℃，在第一梯度温度下烧制1～2h，第二梯度温度为200～400℃，在第二梯度温度下烧制1～2h。
36.本发明还提供了上述制备方法制得的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料以及其在锂离子电池中的负极材料的应用。
37.实施例1
38.在烧杯中加入1g纳米硅粉、2g导电碳、4g陶土混合均匀后球磨15min加入少量的水搅拌至完全润湿后压制成面积为1cm2的极片，在40℃下烘干12h后在100℃下烧制1h，在200℃下烧制1h，得到硅基锂离子电池负极材料。
39.实施例2
40.在烧杯中加入1g纳米硅粉、3g乙炔黑、5g陶土混合均匀后球磨16min加入少量的水搅拌至完全润湿后压制成面积为1cm2的极片，在50℃下烘干12h后在100℃下烧制1h，在300℃下烧制1h，得到硅基锂离子电池负极材料。
41.实施例3
42.在烧杯中加入1g纳米硅粉、5g碳纳米管、7g陶土混合均匀后球磨17min加入少量的水搅拌至完全润湿后压制成面积为1cm2的极片，在50℃烘干12h后在200℃下烧制2h，在300℃下烧制2h，得到硅基锂离子电池负极材料。
43.实施例4
44.在烧杯中加入1g纳米硅粉、6g石墨烯、8g陶土混合均匀后球磨20min加入少量的水搅拌至完全润湿后压制成面积为1cm2的极片，在60℃下烘干12h后在200℃下烧制2h，在400
℃下烧制2h，得到硅基锂离子电池负极材料。
45.如图1所示，从sem图中可以看出负极材料的三维孔隙结构，利用天然陶土本身所具有的三维孔隙结构构建三维负极材料，陶土所具有的孔隙可以容纳更多的硅基材料，同时陶土本身的三维间隔空间还可以有效防止锂离子电池燃烧中的连锁反应。
46.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将纳米硅粉、导电物质以及陶土混合后球磨，使其混合均匀获得混合物；s2：在混合物中加入水并搅拌至完全湿润后施压制得极片；s3：将极片在设定温度下烘干后在梯度设定温度下烧制，获得硅基防爆防燃锂离子电池负极材料。2.根据权利要求1所述的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述s1中，所述纳米硅粉、导电物质以及陶土的质量比为1：(2～6)：(4～8)。3.根据权利要求1或2所述的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述导电物质为导电碳、乙炔黑、碳纳米管以及石墨烯中的一种。4.根据权利要求1所述的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述s1中，所述球磨的时间不少于15min。5.根据权利要求1所述的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述s2中，所述极片的面积为1cm2；所述极片的厚度为0.2
±
0.1mm。6.根据权利要求1所述的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述s3中，所述设定温度为40～60℃；所述梯度设定温度包括第一梯度温度以及第二梯度温度，所述第二梯度温度大于第一梯度温度；所述第一梯度温度为100～200℃，所述第二梯度温度为200～400℃。7.一种根据权利要求1至6任意一项所述的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料的制备方法制得的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料。8.一种根据权利要求7所述的硅基防爆防燃锂离子电池负极材料在锂离子电池中的应用。

技术总结
本发明公开了一种硅基防爆防燃锂离子电池负极材料及制备方法和应用，属于锂离子电极技术领域。所述制备方法包括以下步骤：将纳米硅粉、导电物质以及陶土混合后球磨，使其混合均匀获得混合物；在混合物中加入水并搅拌至完全湿润后施压制得极片；将极片在设定温度下烘干后在梯度设定温度下烧制，获得硅基防爆防燃锂离子电池负极材料。不再使用传统铜箔作为基底，利用天然陶土本身所具有的三维孔隙结构构建三维负极材料，陶土所具有的孔隙可以容纳更多的硅基材料，同时陶土本身的三维间隔空间还可以有效防止锂离子电池燃烧中的连锁反应，解决现有锂离子电池负极材料在析理反应导致热失控的技术问题。失控的技术问题。失控的技术问题。


技术研发人员：杨晓武 毕珍真 郭梦 王晨 张康 代方方
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/9/23