[发明专利]一种锂离子电池用硅碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池用硅碳复合材料及其制备方法，硅碳复合材料为硅材料均匀分散并镶嵌于石墨材料表面及石墨材料之间所形成的二次颗粒结构；所述的二次颗粒表面及内部的石墨材料、硅材料均包覆有一层无定形碳，构成二次颗粒的石墨材料相互随机取向，二次颗粒各向同性取向。通过高分子聚合物的空间位阻及粘接性作用，有效抑制硅材料的上浮、团聚以及硅材料与石墨的分层，实现了硅材料在石墨片中的均匀分散，与石墨形成有效复合。本发明所制备硅碳复合材料用于锂离子电池，表现出效率高、膨胀小、循环好的优点，本发明方法工艺过程简单，易实现工业化生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池用硅碳复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为储能元件有着广泛的应用，作为负极用材料，石墨的理论比容量仅为372 mAh/g。现如今，随着锂离子电池能量密度提升的需求，石墨负极的实际比容量已发挥至极限，其开发潜能极为有限。

硅材料的理论比容量达到了4200mAh/g，且在地壳中储量巨大，是下一代高能量密度锂离子电池的候选材料。但是硅在嵌入和脱出锂时，体积发生300％的膨胀与收缩，在电池充放电循环过程中粉化、脱落、失去活性，从而限制了硅在锂离子电池中的应用。抑制硅在嵌锂时的体积膨胀，提高硅负极的循环成了关键难点。目前通过将硅纳米化、与碳材料进行复合，可以有效改善硅负极的膨胀及循环性能。

中国专利CN103682287 A公开了一种硅基复合材料的制备方法，该方法首先研磨石墨成空心化，将纳米硅颗粒内嵌于空心化石墨层间，通过融合、VC混合包覆有机碳前驱体、各向同性加压处理及碳化，得到硅基复合材料。该制备方法过程复杂，工艺条件苛刻，工业生产较难实现。硅基材料被挤压密实，材料的倍率性能受到很大限制。

中国专利CN102891297 A公开了一种硅碳复合材料及其制备方法，该复合材料为石墨、沥青和纳米硅复合结构，通过将石墨、沥青和微米硅加入到羧甲基纤维素钠的水溶液中进行球磨，得到纳米级别的硅碳复合材料前驱体。该前驱体进行喷雾干燥、碳化，得到硅碳复合材料。该方法使用羧甲基纤维素钠做为粘接剂，防止硅在充放电过程中引发的粉化现象，有效提高硅的循环性能。但是该方法在羧甲基纤维素钠水系溶液下进行球磨、喷雾干燥造粒，高能球磨时，羧甲基纤维素钠长分子链易被打断，使得浆料体系的黏度急剧下降，从而导致纳米硅与石墨片分层，因此球磨过程未实现纳米硅与石墨片的均匀分散。其次，沥青为油性材料，与水不浸润，很难实现硅和碳的均匀复合。第三，表面无氧化层的纳米硅疏水性较强，在纯水体系下喷雾干燥，由于没有高分子聚合物的空间位阻及粘接作用，纳米硅极易穿过石墨缝隙漂浮至表面，导致纳米硅团聚，制作成电池后，易导致局部膨胀过大、粉化，循环性能变差。

中国专利CN104425802 A公开了一种硅基复合材料的制备方法。该方法将基料与导电剂混合，通过喷雾干燥方式造粒。使用的基料为乳化沥青、石墨和硅粉的机械混合。同样地，该方法以水系浆料进行喷雾干燥，纳米硅颗粒极易上浮、团聚，造成循环性能的恶化。

在现有体系中，纳米硅与石墨复合过程中伴随着纳米硅的团聚、上浮，纳米硅分散不均匀，导致现有硅材料制备的锂离子电池首效低、循环差、膨胀大。因此制备以石墨和纳米硅为基体的硅碳复合材料，关键在于如何抑制纳米硅的团聚、上浮，以及控制纳米硅在石墨体系中的均匀分散。

发明内容

本发明的目的是提供一种硅材料在石墨片中的均匀分散的锂离子电池用硅碳复合材料，该复合材料用于锂离子电池表现出效率高、膨胀小、循环好的性能。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种锂离子电池用硅碳复合材料，硅碳复合材料为硅材料均匀分散并镶嵌于石墨材料表面及石墨材料之间所形成的二次颗粒结构；所述的二次颗粒表面及内部的石墨材料、硅材料均包覆有一层无定形碳，构成二次颗粒的石墨材料相互随机取向，二次颗粒各向同性取向。