[发明专利]一种用于锂离子电池负极的硅-锡复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种用于锂离子电池负极的硅‑锡复合材料及其制备方法，该负极复合材料呈锡纤维缠绕硅颗粒复合结构，由硅、锡两种元素组成，其中硅含量为20‑70at.％，余量为锡。所述负极复合材料的制备方法为，将硅与锡粉末混合，采用高能球磨的方法在氩气气氛保护下对混合粉料进行球磨；在高能冲击下金属锡颗粒发生剧烈变形、冷焊以及撕裂形成锡纤维；在继续球磨的过程中，经过高能球磨后形成纤维状结构的韧性相金属锡与在球磨过程中经高能撞击下粉碎细化的硅颗粒复合，形成锡纤维缠绕硅颗粒复合结构。这种新型纤维缠绕包裹型含硅复合材料制备工艺简单、成本低，同时，该复合材料的结构新颖、独特，电化学性能优异，具备非常好的应用前景。

技术领域

本发明涉及电化学电源技术领域，具体涉及用于锂离子电池的含硅复合材料，特别提供一种含硅纤维缠绕包裹型锂离子电池复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于具有体积小、质量轻、比能量高、使用寿命长、输出电压高、自放电低、环境友好等特点而被喻为21世纪最理想的绿色能源，已广泛用作航天、军事、汽车工业、电子设备及生物医学领域的能源储备系统。然而，目前商业化锂离子电池主要采用碳素材料(比如碳，石墨等) 作为负极，其理论嵌锂容量为372mAh/g，难以满足大规模电能输送单元以及电动汽车、混合动力汽车对锂离子电池高容量和高能量密度的要求。为此，广大科研工作者不断努力，试图寻找可以替代碳素材料的新型负极材料体系。

近年来报道了不少有发展前景的新材料，其中硅材料由于具有巨大的储锂容量而备受关注。硅因具有原子量小，比容量高(理论上形成Li₂₂Si₅的比容量达到4200mAh/g)，嵌锂电位低等优点而引起了科研工作者的广泛关注。但迄今为止，以硅材料为负极的锂离子电池其商业化进程受阻，仍未全面进入商品市场，一个主要原因是，在充放过程中，伴随着锂离子的嵌入和脱嵌，硅负极材料会发生巨大的体积变化(300％以上)，会引起负极材料的机械分裂(碎裂与粉化)，进而导致电极结构的崩塌，电极材料的剥落而使电极材料与集流体失去电接触，从而导致容量急速衰减，循环性能急速下降，最后导致电极失效。

针对硅材料在充放电过程中存在的体积膨胀的问题，目前科研工作者提出的解决办法主要包括有：1)改变材料的结构，制备成不同形貌的材料。例如，线状、薄膜状、多孔状、核壳状等。研究表明，这些不同结构形貌的硅负极硅材料在充放电过程中，能够有效减小体积膨胀效应，容量和循环性能都有很大改善；2)合成硅与活性/非活性复合体系。在复合体系中利用“缓冲骨架”来补偿硅材料的膨胀，使其保持良好的电接触。然而，在复合材料的制备方面，往往用到电化学沉积以及磁控溅射等制备方法，这些制备方法工艺复杂，生产效率低，制备成本较高，难以实现大规模的工业化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于锂离子电池负极的新型硅-锡复合材料及其制备方法。利用工艺操作简单，生产成本低的高能球磨法制备出结构新颖、独特，电化学性能优异的复合材料。其基本原理在于利用高能冲击条件下，延性金属锡发生冷焊与撕裂而形成纤维状，并与在球磨过程中经过高能撞击后粉碎细化的硅颗粒进行复合，硅颗粒部分附着在纤维状的锡上，部分被纤维状的锡所缠绕包裹，获得纤维缠绕包裹型复合材料。高能球磨的制备方法工艺操作简单、成本低。

本发明的技术方案如下：

一种用于锂离子电池负极的新型硅-锡复合材料，该复合材料由单质态硅、单质态锡同组成；其中：按原子百分含量计，硅含量为20-70at.％，余量为锡。所述硅-锡复合材料，硅含量优选50at.％。

所述复合材料中，锡为纤维状，该纤维形成开放式的三维立体缠绕型结构，部分硅颗粒附着在纤维上，部分被纤维状的锡所缠绕包裹，硅颗粒的大小为10-20μm。