[发明专利]硅碳复合材料及其制备方法以及电池负极和锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅碳复合材料及其制备方法，以及使用该材料制成的电 池负极和锂离子电池。

背景技术

随着电子信息产业的发展，电子设备的小型化和高性能化高速发展对电 池容量密度要求不断提高，再加上由于碳基负极材料的容量已经几乎接近 372mAh/g的理论值，人们把目光投向了硅、锡、铝和锑等能与锂电化学合 金化的金属。其中，硅是最具吸引力的一种，其理论容量高达4200mAh/g。 但是它们在锂离子嵌入和脱出过程中体积发生膨胀和收缩，导致活性材料与 集流体的电接触变差，进而导致材料的容量及循环性能变差，制成的电池寿 命非常短，阻碍了这些材料的实用化。为了解决上述问题，人们研究开发了 硅和碳的复合材料制成的负极，如CN 1903793A中公开的纳米碳硅复合材 料，但是，该材料虽然由于比表面积很大，放电容量较高，但表面形成的固 体电解质界面膜(SEI膜)的锂消耗严重，首次充放电不可逆容量较高，并 且在多次循环后电极容量的衰减加快，离实用化还有一段距离。现有技术中， 难以使硅/碳复合材料的循环性质得到较好的效果。

发明内容

本发明的目的在于为了克服现有技术中硅碳复合材料制成的锂离子电 池负极循环性能差的缺点，提供一种具有较高容量和优异循环性能的锂离子 电池负极活性材料及其制备方法。

本发明的另一个目的在于提供一种使用本发明负极材料制成的锂离子 电池负极。

本发明的第三个目的在于提供一种使用本发明负极制成的锂离子电池。

本发明提供了一种硅碳复合材料，该复合材料含有纳米硅/碳纳米管复 合颗粒和无定形碳，所述无定形碳包覆在所述复合颗粒表面。

本发明提供了一种硅碳复合材料的制备方法，该方法包括将纳米硅和碳 纳米管分散在分散剂中，除去分散剂，得到纳米硅/碳纳米管复合颗粒；将纳 米硅/碳纳米管复合颗粒与无定形碳前驱体溶液接触，除去溶剂，并使无定形 碳前驱体炭化。

本发明还提供了一种硅碳复合锂离子电池负极，该负极包括负极集流体 和涂布在集流体上的负极材料，其中，所述负极材料的活性物质本发明提供 的复合材料。

本发明还提供了一种锂离子电池，该电池包括电池壳体、电极组和电解 液，电极组和电解液密封在电池壳体内，电极组包括正极、隔膜和负极，其 中，所述负极为本发明的负极。

碳纳米管具有优良的电学、力学性能，结构富有弹性。碳纳米管与纳米 硅复合可以形成许多纳米级的空隙，这些空隙可以成为硅的膨胀的空间，因 而减缓硅的膨胀对包覆层的影响；碳纳米管本身也具有大的储锂容量；同时， 表面无定形碳层可以缓解纳米硅/碳纳米管复合材料在使用时电解液和电极 表面SEI膜的高储锂情况的影响，降低电池首次循环的不可逆容量。其制备 方法简单，过程容易控制，用该材料制备的负极制成的电池具有较低的首次 不可逆容量、较高的比容量和优异的循环性能。

具体实施方式

本发明提供的硅碳复合材料含有纳米硅/碳纳米管复合颗粒和无定形 碳，所述无定形碳包覆在所述复合颗粒表面。

所述纳米硅的粒径为20-100纳米；所述碳纳米管的直径为20-100纳米， 长度为0.5-2微米。以100重量份的纳米硅为基准，碳纳米管的含量可以为 1-50重量份，优选为1-25重量份；无定形碳的含量可以为30-200重量份， 优选为40-150重量份。

本发明提供的硅碳复合材料的制备方法包括将纳米硅和碳纳米管分散 在分散剂中，除去分散剂，得到纳米硅/碳纳米管复合颗粒；将纳米硅/碳纳 米管复合颗粒与无定形碳前驱体溶液接触，除去溶剂，并使无定形碳前驱体 炭化。

所述纳米硅的粒径为20-100纳米；所述碳纳米管的直径为20-100纳米， 长度为0.5-2微米。

用于分散纳米硅和碳纳米管的分散剂可以为各种能够使纳米硅和碳纳 米管分散的液体，例如，可以为水、乙醇、丙醇、丙二醇或它们的混合物。 所述分散剂的用量为每100克纳米硅加入1-15升分散剂。

所述纳米硅、碳纳米管和无定形碳前驱体的用量使得到的复合材料中， 以100重量份的纳米硅为基准，碳纳米管的含量为1-50重量份，优选为1-25 重量份；无定形碳的含量为30-200重量份，优选为40-150重量份。