[发明专利]一种锂离子电池负极材料及其制备和应用

说明书

本发明提供一种锂离子电池负极材料及其制备和应用，所述材料为碳纳米层包覆硅的材料，所述材料具有碳纳米层三维交联的气凝胶结构，包覆的硅纳米粒子分布于碳纳米层中；所述碳纳米层中含有N元素，同时还含有异质元素P、S、B中的一种或两种以上。其制备方法包括表面修饰的纳米硅与氨基化合物分散液的制备、碳硅复合材料的制备以及碳纳米层包覆硅材料的制备。包覆结构极大的降低了硅的体积膨胀；高孔隙率的凝胶结构有效的缓解了硅膨胀对电极结构影响；并且三维交联的碳纳米层提供了较好的导电网络。本发明包覆方法简便，原料来源广泛，价格低廉，工艺条件易控制，操作成本低，极具工业化前景。相比现行的包覆方法，具有包覆层均匀，包覆速率快等优点。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料及其制备技术领域，具体涉及一种碳纳米层包覆硅负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池，作为一种应用十分广泛的能量存储器件，具有能量密度高、自放电小、工作电压范围宽、无记忆效应、使用寿命长、无环境污染等优点，锂离子电池性能的最终决定性因素是电极材料，其中负极材料对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。目前负极材料的应用主要以传统石墨材料为主，但石墨比容量已接近372mAh/g的理论值，难有提升的空间，已无法满足高比能量动力锂电池的需求，所以开发其它新型负极材料从而提升锂电池性能已成为负极材料研究领域热点。

硅的理论比容量为4200mAh/g，远高于石墨材料的比容量，且硅的电压平台略高于石墨，在充电时不会引起表面析锂，安全性能更好，另外硅的来源广泛，存储丰富，所以硅被认为最有可能替代石墨的新型负极材料之一。但以硅作为锂离子电池负极材料在嵌锂的过程中体积膨胀达300％.充放电过程中锂离子反复的嵌入脱出，材料逐渐粉化，造成结构坍塌，最终导致电极活性物质与集流体脱离，丧失电接触，导致电池循环性能大大降低；此外，由于这种体积效应，硅在电解液中难以形成稳定的固体电解质界面(SEI)膜；伴随着电极结构的破坏，在暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，加剧了硅的腐蚀和容量衰减。

目前对于高容量硅负极材料的改性主要采用表面改性、掺杂、复合等方法形成包覆或高度分散的体系，通过提高材料的力学性能，以缓解脱嵌锂过程中体积膨胀产生的内应力对材料结构的破坏，从而提高其电化学循环稳定性。这些材料虽能在循环性上得到一定的改善，但效果依然不够理想，无法满足高性能动力锂离子电池的性能要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，发明了一种碳纳米层包覆硅材料，有效的解决了硅作为锂离子电池负极材料时体积膨胀的问题，能显著减小碳硅负极材料的比容量衰减速度，本发明还提出了一种制备碳纳米层包覆硅材料的制备方法。本发明采用以下具体方案实现的：

一种锂离子电池负极材料，所述材料为碳纳米层包覆硅的材料，所述材料具有碳纳米层相互交联成三维骨架结构，硅纳米粒子分布于碳纳米层中。

所述碳纳米层为多孔的碳纳米片层，所述碳纳米层的片层厚度为10-300nm，多孔的碳纳米片层的长度和宽度分别为20nm-5μm，孔隙率为0.5-2cm³/g，孔径尺寸在0.5nm-20nm范围内；硅纳米粒子的粒径为10-100nm。

所述碳纳米层中含有N元素，同时还含有异质元素P、S、B中的一种或两种以上；所述碳纳米层中N元素的质量含量为1％-10％，所述异质元素P、S、B中的一种或两种以上的总的质量含量为1％-10％。

所述锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

(1)表面修饰的纳米硅与氨基化合物分散液的制备：于无水乙醇中分散经表面处理的纳米硅粉末，水浴加热的同时于分散液中加入偶联剂，恒温搅拌8-16h后冷却过滤干燥得表面修饰的纳米硅；将所得纳米硅与氨基化合物分散在溶剂中。