锂离子电池用的硅碳负极材料制备方法及其设备——研磨分散机

随着全球环境问题的日益严峻，“低碳”的生活方式越来越深入人心，锂离子电池的诸多优点使得锂离子电池有望成为便携式电动工具、电动汽车等的理想动力电源，也必将在人类生产生活中发挥更加重要的作用。目前商品化锂离子电池负极材料主要使用天然石墨和人造石墨，其比容量一般在 300 360mAh/g左右，同时石墨类材料的理论值为372mAh/g，发展潜力有限，已经无法适应锂离子电池高容量、小体积的发展需求。因此发展高比容量的锂离子电池用负极材料成为锂电行业的迫切需求。在诸多的可替代材料中，硅因具有极高比容量(理论值4200mAh/g) 而成为替代石墨负极材料极具潜力的材料之一。然而，硅基负极材料在锂离子的嵌入与脱嵌过程中存在巨大的体积变化，在包覆不当或者有缺陷的时候会使电极活性物质与集流体分离，从而严重影响了电池的循环性能。

由硅碳复合材料与石墨粉组成，粒径分布为5-50um，硅碳复合材料由包覆有碳材料的纳米硅粉构成，质量比组份为纳米硅粉1 20%，碳材料前躯体1 40%，其余为石墨粉；所述纳米硅粉是 10- 500nm的单质硅粉，石墨粉是粒径为0. 5 -50um，固定碳含量彡94的球形天然石墨或人造石墨粉，碳材料前躯体为浙青、聚氯乙烯、聚乙烯、酚醛树脂或硬脂酸。一种锂离子电池用的硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤一、按质量比，将 5- 95%的粒径在10 -500nm的纳米硅粉，5 -95 %的包覆层碳材料前躯体，按纳米硅粉和碳材料前躯体与溶剂的质量比1 1 10，放入溶剂中，转速500 1500转/分，搅拌 1 池，干燥至溶剂含量小于1 %，得到复合物1 ；所述碳材料前躯体为浙青、聚氯乙烯、聚乙烯、酚醛树脂或硬脂酸；所述溶剂为水、醇类、酮类、烷类、酯类、芳香类、N-甲基吡咯烷酮、 二甲基酰胺、二乙基甲酰胺、二甲基亚砜和四氢呋喃中的一种以上；二、将复合物1以1 IO0C /min的升温速度，至300 1050°C，热处理时间为1 10h，自然降温；三、粉碎，得到粒径在5 65um的硅复合材料；四、按质量比1 1 50，将硅复合材料放在试剂中，时间为5 600min，温度为10 60°C，抽滤得到固态粉体，用去离子水冲洗，至用pH试纸测试洗涤液的PH值为5 9，干燥至水分含量小于0. 5%后，粉碎至粒径为0. 5 50um，得到硅碳复合材料1 ；所述试剂为氢氧化钠，氢氧化钾，氢氧化铵，2-羧基乙胺和氢氧化四甲基胺的一种以上的水溶液，或氢氟酸的硝酸、硫酸、盐酸和醋酸的一种以上的水溶液；五、按质量比，将50 95%的硅碳复合材料1，5 50%的包覆层碳材料前躯体，按硅碳复合材料1和包覆层碳材料前躯体与溶剂的质量比1 1 20，放入溶剂中，转速500 1500转/分，搅拌1 池，干燥至溶剂含量低于1%，得到复合物2 ；六、将复合物2以1 10°C /min的升温速度，至300 1050°C，保温时间为1 10h，自然降温，得到硅碳复合材料2 ；七、粉碎至粒径范围为5 50um，得到粉碎后硅碳复合材料2 ；八、按质量比，将占总质量5 30%的粉碎后硅碳复合材料2和石墨粉均勻混合，得到锂离子电池用的硅碳合金负极材料；所述石墨粉为粒径为0. 5 50um，固定碳含量彡94的球形天然石墨或人造石墨粉。本发明的步骤二热处理升温、保温和降温的过程通入氮气、氩气或氢气，流量为 0. 1 2L/min. Μ3。本发明的对抽滤得到固态粉体，用去离子水冲洗，至用ρΗ试纸测试洗涤液的PH值为6 8。本发明的试剂为含HF和HNO3的水溶液，在所述水溶液中，HF的浓度为0. 1 25mol/L, HNO3 的浓度为> 0 至彡 16mol/L。本发明的步骤六热处理升温、保温和降温过程通入氮气、氩气或氢气，单位体积内流量为 0. 1 2L/min. M3。本发明的对复合物1进行热处理，先以1 10°C /min的升温速度，至热处理温 300 750°C，恒温1 10h，再以1 5°C /min的升温速度，至500 1050°C，保温1 10h。本发明的将硅复合材料放在试剂中，时间为30 120min。本发明的将硅复合材料放在试剂中，时间为50min。本发明的试剂为氢氧化钠，氢氧化钾。本发明与现有技术相比，具有较高比克容量、并较一般的合金负极材料具有良好的循环性能，制备材料的比容量根据工艺参数的不同在400 1000mAh/g，循环50次容量保持率在95%以上，制备工艺简单，原料成本低廉，适用于高容量型各类锂离子电池负极材料的大批量生产。

上海依肯的研磨分散机特别适合于需要研磨分散均质一步到位的物料。研磨分散机为立式分体结构，精密的零部件配合运转平稳，运行噪音在73DB以下。同时采用德国博格曼双端面机械密封，并通冷媒对密封部分进行冷却，把泄露概率降到低，保证机器连续24小时不停机运行。简单的说就是将IKN/依肯胶体磨进行进一步的改良，将单一的胶体磨磨头模块，改良成两级模块，加入了一级分散盘。可根据物料要求进行更换（我们提供了2P，2G，4M，6F，8SF等五种乳化头供客户选择） IKN研磨分散机可以高速研磨，分散，乳化，均质等功能，设备转速可达14000rpm，是目前普通设备转速的4-5倍。

CMD2000系列研磨分散机的结构：研磨式分散机是由锥体磨,分散机组合而成的高科技产品。

第yi级由具有精细度递升的三级锯齿突起和凹槽。定子可以无限制的被调整到所需要的与转子之间的距离。在增强的流体湍流下，凹槽在每级都可以改变方向。

第二级由转定子组成。分散头的设计也很好地满足不同粘度的物质以及颗粒粒径的需要。在线式的定子和转子（乳化头）和批次式机器的工作头设计的不同主要是因为 在对输送性的要求方面，特别要引起注意的是：在粗精度、中等精度、细精度和其他一些工作头类型之间的区别不光是指定转子齿的排列，还有一个很重要的区别是 不同工作头的几何学特征不一样。狭槽数、狭槽宽度以及其他几何学特征都能改变定子和转子工作头的不同功能。根据以往的惯例，依据以前的经验指定工作头来满 足一个具体的应用。在大多数情况下，机器的构造是和具体应用相匹配的，因而它对制造出zui终产品是很重要。当不确定一种工作头的构造是否满足预期的应用。

从设备角度来分析，影响研磨分散机效果因素有以下几点：

1.研磨头的形式（批次式和连续式）（连续式比批次式要好）

2.研磨头的剪切速率，（越大效果越好）

3.研磨的齿形结构（分为初齿、中齿、细齿、超细齿、越细齿效果越好）

4.物料在分散墙体的停留时间、研磨分散时间（可以看作同等电机，流量越小效果越好）

5.循环次数（越多效果越好，到设备的期限就不能再好了。）

线速度的计算：

剪切速率的定义是两表面之间液体层的相对速率。

剪切速率 (s-1) =      v  速率 (m/s)   
               g 定-转子 间距 (m)

由上可知，剪切速率取决于以下因素：

转子的线速率

在这种请况下两表面间的距离为转子-定子 间距。 
IKN 定-转子的间距范围为 0.2 ~ 0.4 mm  

速率V=  3.14 X  D（转子直径）X 转速 RPM  /   60

 所以转速和分散头结构是影响分散的一个zui重要因素，超高速分散均质分散机的高转速和剪切率对于获得超细微悬浮液是zui重要的

上海依肯机械设备有限公司是一家中德合作经营企业，依肯通过引进德国IKN技术和科学管理模式，形成了完整的研发、制造及营销体系。她保持与全球的混合乳化技术同步，同时拥有一流的技术研究人才和生产能力，为中国及全球提供多元化的产品及技术服务。