[发明专利]硅碳复合材料及其制备方法及负极材料及电池

说明书

本发明涉及一种硅碳复合材料，其包括三层核壳结构，最内层为硅材料，中间层为金属化合物，最外层为碳材料；硅材料选自硅、硅氧化物和金属硅化物中的一种或几种。上述硅碳复合材料，在硅材料和碳材料之间还设有金属化合物的中间层，有效改善了硅材料和碳材料之间的界面接触性，使硅碳复合材料在使用过程中更加稳定。该硅碳复合材料的导电性提升，能量密度也有提升。该硅碳复合材料，在后续的配料使用过程中更易于与集流体粘结，不容易团聚或掉料，提高了硅碳复合材料循环性能。其制备方法，工艺难度低，设备简单，利于工业化生产。本发明还公开了一种上述硅碳复合材料的制备方法、负极材料及电池。

技术领域

本发明涉及电池领域，特别是涉及一种硅碳复合材料及其制备方法及负极材料及电池。

背景技术

与传统地石墨负极材料相比，硅具有超高的理论比容量(4200mAh/g)和较低的脱锂电位(＜0.5V)，且硅的电压平台略高于石墨，在充电时不容易发生表面析锂行为，安全性能更好，因此成为电池的负极材料新的研究方向。

但是，由于硅是半导体材料，作为电池负极材料时，自身电导率较低，锂离子在充放电过程中的嵌入和脱出会使硅体积发生300％以上的膨胀和收缩，会使粉体材料结构逐渐坍塌，最终导致电极活性物质与集流体脱离，导致电池循环性能大大降低。

为改善硅基材料的循环性能，提高循环稳定性，同时保持其原有的高能量密度特性。通常将硅基材料复合化，形成硅碳复合材料。因为碳材料具有较高的电子电导率和离子电导率，可显著改善硅基材料的倍率性能，抑制硅在循环过程中的体积效应。此外，碳材料能阻隔硅与电解液直接接触，降低不可逆容量。

但是，传统的硅碳复合材料中硅材料和碳材料两者之间的界面接触较差，且传统的硅碳复合材料制备工艺难度大，设备复杂，不利于工业化生产。

发明内容

基于此，有必要针对现有的硅碳复合材料中硅材料和碳材料两者之间的界面接触较差、且制备工艺难度大的问题，提供一种界面接触好且制备简单的硅碳复合材料。

一种硅碳复合材料，其包括第一核壳结构，所述第一核壳结构的内核为纳米粒子，所述第一核壳结构的外壳为碳材料；所述纳米粒子为第二核壳结构，所述第二核壳结构的内核为硅材料；所述第二核壳结构的外壳为金属化合物；所述硅材料选自硅、硅氧化物和金属硅化物中的一种或几种。

上述硅碳复合材料，包括两个核壳结构，也就是说，在硅材料和碳材料之间还设有金属化合物的中间层，通过金属化合物的中间层有效改善了硅材料和碳材料之间的界面接触性；使硅碳复合材料在使用过程中更加稳定。上述硅碳复合材料，由于加入了金属化合物，提高硅碳复合材料的导电性，其能量密度也有提升。上述硅碳复合材料，通过对核壳结构的纳米粒子的二次包覆，在后续的配料使用过程中更易于与集流体粘结，不容易团聚或掉料，提高了硅碳复合材料循环性能。另外，通过设置中间层，从而降低碳材料直接包覆在硅材料表面的难度，设备简单，利于工业化生产。

在其中一个实施例中，所述硅氧化合物的通式为SiO_x，其中，0.5≤x≤1.5；所述金属硅化物的通式为MSi_y，其中，M选自Fe、Ni、Cr、Mn、Ti和Co中的一种或几种，0.5≤y≤2。

在其中一个实施例中，所述金属化合物选自金属氧化物和金属卤化物中的一种或几种。

在其中一个实施例中，所述碳材料选自碳纳米管、中间相碳微球、石墨烯和硬碳中的一种或几种。

在其中一个实施例中，所述纳米粒子的中值粒径为10-600nm。

在其中一个实施例中，所述硅碳复合材料的中值粒径为1-100μm。

本发明还提供了一种上述硅碳复合材料的制备方法。

一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：