[发明专利]一种三维多孔碳包裹硅的复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种三维多孔碳包裹硅的复合负极材料及其制备方法。该复合负极材料由碳布基底、生长在碳布基底上的三维多孔碳层、以及包裹于三维多孔碳层中的硅纳米材料组成。该复合负极材料的制备方法为：将淀粉、氢氧化钠与水的混合液涂覆在碳布上，然后干燥、煅烧，冷却至室温后放入盐酸溶液中浸泡，洗涤、干燥后，得到具有三维多孔碳层的碳布；将硅纳米材料与乙二醇和/或丙二醇溶液混合，然后与所述具有三维多孔碳层的碳布进行水热反应，冷却至室温后，洗涤、干燥，得到所述的三维多孔碳包裹硅的复合负极材料。本发明提供的复合负极材料是一种高导电性、高容量的负极材料，并且该复合负极材料能够减小硅基材料的体积变化对结构的影响。

技术领域

本发明提供了一种三维多孔碳包裹硅的复合负极材料及其制备方法，以及含有该复合负极材料的锂离子电池，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

能源是人类生存与发展的物质基础，目前人类面临着严重的能源紧缺。随着全球经济的快速发展、化石能源的不断消耗、环境污染的日益严重，研究一种高效、低成本、环境友好、高性能的能源转换和储存系统已经显得越来越重要。

锂离子电池由于具有比能量大、工作电压高、循环使用寿命长、无记忆效应、自放电小、无污染绿色环保等优点，被广泛应用于在汽车、电力、铁路、通讯、国防、消费型电子产等领域，从而引起了科研工作者的广泛关注。

目前，商业化的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，但它的理论比容量仅为372mAh/g，无法满足未来锂离子电池对高能量密度的需求。硅作为一种新型的锂电池负极材料，其储锂容量达到4200mAh/g，将近石墨的10倍。但是目前将硅作为负极材料也存在一定的技术问题，由于硅基材料导电性差，在脱嵌锂过程中存在着严重的体积膨胀，造成材料的结构破坏甚至从电极上脱落下来。因此，硅基负极材料在锂离子电池应用的主要技术难点在于大多数的硅基材料在嵌锂和脱嵌的过程中体积变化巨大，硅基材料的结构膨胀、结构破坏，最终导致容量剧烈衰退。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种三维多孔碳包裹硅的复合负极材料及其制备方法。该复合负极材料是一种高导电性、高容量的硅碳复合负极材料，并且该复合负极材料能够减小硅基材料的体积变化对结构的影响。

本发明的目的还在于提供一种含有上述三维多孔碳包裹硅的复合负极材料的锂离子电池。

为达到上述目的，本发明首先提供了一种三维多孔碳包裹硅的复合负极材料，该复合负极材料由碳布基底、生长在所述碳布基底上的三维多孔碳层、以及包裹于所述三维多孔碳层中的硅纳米材料组成。

在上述三维多孔碳包裹硅的复合负极材料中，优选地，所述碳布基底的导电率为5mΩ·cm²以下。碳布即为碳纤维布，其是碳纤维的织物，是一种高韧性、高柔性的导电材料。在本发明中，所述碳布基底可以选自聚丙烯腈(PAN)基碳纤维布、黏胶基碳纤维布、沥青基碳纤维布等中一种或几种的组合，对于该碳布的织造方式以及尺寸大小并不做特别限制，可以由本领域技术人员根据实际需要进行选择。

在上述三维多孔碳包裹硅的复合负极材料中，优选地，所述三维多孔碳层的厚度为0.5-100μm，所述三维多孔碳层中的三维多孔碳的表面积为20-300m²/g，孔体积为10-200m³/g，平均孔径为2-200nm。

在上述三维多孔碳包裹硅的复合负极材料中，优选地，所述硅纳米材料包括硅纳米粒子和/或硅纳米线，所述硅纳米粒子的直径为1-150nm，所述硅纳米线的直径为5-10nm、长度为10-50nm，以所述三维多孔碳包裹硅的复合负极材料的总重量为基准，其中硅纳米材料的含量为1-70％，更优选地，其中硅纳米材料的含量为40-60％。