[发明专利]一种硅碳复合材料、制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种硅碳制备方法，包括步骤(1)：碳复合：将硅金属合金材料与石墨混合，再经过二道酸洗，制得多孔硅碳复合材料；步骤(2)：碳包覆：步骤(1)制得的多孔硅碳复合材料与有机碳源混合，经热处理制得硅碳复合材料。本发明还包括采用上述制备方法制得的硅碳复合材料、及其在制备锂电池中的应用。本发明工艺简单，原材料丰富、廉价，易于规模制备，是一种理想的制备方法。作为锂离子电池负极材料表现出较优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种硅碳复合材料、制备方法及其应用。

背景技术

动力电池是新能源电动汽车的心脏，是新能源电动汽车产业发展的关键，然而目前已经广泛应用在移动电子产品上的锂离子电池的能量密度，安全性能，倍率性能等仍然不能满足人们在电动汽车上的使用要求，成为阻碍电动汽车大面积推广的瓶颈。锂离子电池由正负极材料、隔膜和电解液组成，其中电极材料是电池的核心部分，决定着电池电化学储锂性能，因此负极电极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能。目前主要的商业化的锂离子电池负极材料以石墨负极材料为主，其实际比容量已经接近372mAh/g的理论值，其较低的理论容量制约了锂离子电池的能量密度的提高，因此进一步研发具有高比容量、优异的循环稳定性及安全性的负极材料已迫在眉睫。

硅作为锂离子电池负极材料具有4200mAh/g的理论比容量，远高于石墨的容量，作为负极材料可以较大幅度的提高电池的能量密度，并且硅的放电平台略高于石墨负极材料，不易产生析锂，安全性能优于石墨，另外硅容量丰富，价格低廉，因此是目前最有前景的锂离子电池负极材料。但是硅作为锂离子电池负极材料也有明显的缺点，如硅作为半导体材料，其自身电导率较低；在充放电过程，随着锂离子的嵌入和脱出，硅材料体积变化较大，导致材料粉化、脱落，最终导致与集流体脱离，循环稳定性较差。

为了解决上述问题通常采用掺杂、纳米化等方法提高硅基材料的电化学性能。公开号为CN104332621A中国专利文献公开了一种利用金属热还原制备空心纳米硅球的方法，利用活泼金属还原二氧化硅纳米球，控制活泼金属的含量使其只还原二氧化硅纳米球表面，而内核仍然是二氧化硅，然后利用盐酸及氢氟酸去除金属氧化物和二氧化硅，得到空心纳米硅球。公开号为CN101179126B中国专利文献公开了一种用于锂二次电池的包括硅为主要成分的电极材料，该电极材料包括硼、铝、镓、锑和磷中至少一种元素相对于硅的原子比在1×10_-⁵至1×10_-¹的范围内的掺杂剂量对硅进行掺杂。这些方法一定程度上提升了硅基材料的电化学性能，然而这些制备方法比较复杂，成本较高，不易规模制备，且电化学性能有待进一步提高。

发明内容

为了获得具有较优异电化学性能的硅碳复合材料，本发明提供一种硅碳复合材料、制备方法及其应用。

一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：碳复合：将硅金属合金材料与石墨混合，再经过二道酸洗，制得多孔硅碳复合材料；

步骤(2)：碳包覆：将步骤(1)制得的多孔硅碳复合材料与有机碳源混合，经热处理制得硅碳复合材料。

本发明通过对硅金属合金材料进行二道酸腐蚀，制得多孔硅(多孔硅碳复合材料)，并通过与碳复合及碳包覆制备硅碳复合材料。硅碳复合材料中，碳和微孔的存在有效地缓冲了硅的体积膨胀，增强了硅的导电及电化学性能。本发明方法工艺简单，原材料丰富、廉价，有利于工业放大生产。

步骤(1)中，先利用球磨法将硅金属合金材料磨成粉末，然后和石墨混合制得石墨/硅金属合金复合材料，其中，球磨的转速为300～1000转/分，球磨时间2～48小时；硅金属合金材料和石墨的混合质量比为0.2-5:1。

本发明利用高能球磨法制备石墨/硅金属合金复合材料(粉末)。提高原料的混合效果，同时有利于后续步骤的酸腐蚀。