[发明专利]一种硅氧碳复合锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种硅氧碳复合锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

随着科技的发展与人类社会的进步，能源枯竭和环境污染问题日益凸显，开发新型高效、清洁的能量转化、存储技术和能量利用方式成为解决这些问题和实现人类社会可持续发展的关键。锂离子电池以其高工作电位、高比能量密度、高比功率、高工作温度范围、长循环寿命以及较好的环境友好性，在便携式移动电子设备领域、电动工具、储能装置、电动车和混合动力汽车领域得到广泛的应用。尤其几年来电动汽车的迅猛发展及电子设备的小型化、轻型化，对锂离子电池提出了更高的要求，开发新型安全高效、高容量、高倍率、长循环寿命的锂离子电池成为目前研究的热点，而电极材料是决定锂离子电池性能的决定性因素，也是锂离子电池开发的难点和技术核心。

为了提高锂离子电池的整体性能，开发了众多新型电极材料。其中Si负极以其极高的理论比容量(3579毫安时每克)备受关注，然而巨大的体积变化(300％)导致的容量衰退问题成为实现其商业化应用的主要阻碍。研究表明，Si表面发生氧化可形成一层非晶态的SiO_x钝化层。SiO_x在首次嵌锂后会与Li反应形成不可逆的Li₂O、Li₄SiO₄以及可逆的Li₂Si₂O₅和Si，而不可逆的Li₂O和Li₄SiO₄则可作为惰性相缓解、吸收Si的体积膨胀，因此在Si表面形成的一层SiO_x层能够有效改善Si负极的性能。另外，与碳材料复合不但可以增强材料的导电性，还能缓冲材料的体积膨胀，从而有效改善材料的循环稳定性。显然，开发一种Si@SiO_x/C复合物负极体系能够有效提高Si基负极的电化学性能。

硅/碳复合材料种类繁多，包括包覆型(核壳型、纤维型和多孔型)、嵌入型和分散型。目前引入碳材料的方法主要有以下几种：化学气相沉积、喷雾干燥、喷雾热解、高温热解、静电纺丝、水热法、模板刻蚀等。在Si表面包覆惰性层的方法有：通O₂高温热处理、液相法、溶胶-凝胶法等。这些方法工序繁琐，成本高，能耗高，可控性差，运用范围窄。更重要的是，Si的表面氧化与碳包覆工艺分开进行且工艺不能兼容，不能同时用于制备Si@SiO_x/C复合物体系。因此，发展一种便捷、低成本、环境友好、可控性好的复合物Si@SiO_x/C体系制备工艺的科学研究意义和经济效益是显而易见的；这种制备技术可以丰富复合材料的制备方法，这种Si@SiO_x/C复合物体系能够拓宽新型高容量锂离子电池材料种类体系。

发明内容

本发明提供了一种操作简单，高效，可控性强，低能耗，适用范围广的硅氧碳复合锂离子电池负极材料的制备方法。该制备方法制得的复合物材料含有硅氧化物、硅酸盐、碳酸盐及碳包覆层，是一种结合复合材料制备、表面氧化改性和表面碳包覆特征的技术，经改性的硅基复合物锂离子电池负极材料具有优异的性能和广阔的应用前景。

一种硅氧碳复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：在CO₂气体氛围下，硅基材料球磨，得到硅氧碳复合材料。

将硅基材料加入到球磨罐中后，通入CO₂气体，然后进行球磨，硅基材料在球磨过程中会与CO₂气体反应生成SiO_x和碳，并随球磨时间的延长，SiO_x和碳的含量会逐渐增加，形成SiO_x和碳的包覆层，该包覆层可以有效缓解硅在充放电过程中的体积膨胀，从而提高硅基材料的循环稳定性。

所述的硅氧碳复合材料(简称Si@SiO_x/C复合物)可作为锂离子电池的负极材料。所述的硅基材料为硅单质、碱金属硅化物、碱土金属硅化物、IIIA族硅化物或过渡金属硅化物。

作为优选，所述硅基材料与CO₂气体的摩尔比为0.001～100∶1。该摩尔比过大，反应不完全，包覆层厚度受限，影响材料的性能；摩尔比过小，CO₂过量，包覆层过厚，恶化材料性能。