[发明专利]一种硅碳负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，特别涉及一种硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池以其比能量大、工作电压高、自放电率小、体积小、重量轻等优势，自其诞生以来，便给储能领域带来了革命性的变化，被广泛应用于各种便携式电子设备和电动汽车中。然而随着人们生活水平的提高，更高的用户体验对锂离子电池提出了更高的要求：质量更轻、使用时间更长等；为了解决上述问题必须寻找新的性能更加优异的电极材料。

目前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨，但因其理论容量仅为372mAh·g^-1，已不能满足用户的迫切需求；因此，更高比容量的负极材料的开发迫在眉睫。作为锂离子电池负极材料，硅材料一直备受关注。其理论容量为4200mAh·g^-1，是已商业化的石墨容量的10倍以上。且具有低的嵌锂电位、低原子重量、高能量密度、价格较便宜、环境友好等优势，因此是新一代高容量负极材料的最优选择之一。

但是由于硅材料本身导电性能差、且充放电过程中体积膨胀大而容易造成材料结构破坏和机械粉碎，导致其循环性能衰减快，限制了其更广泛的应用。为了解决上述问题，现有技术主要有硅颗粒纳米化、向硅基材料颗粒中加入具有优良导电性能的导电材料等等，用于提高硅基材料整体颗粒的导电性能，同时解决材料充放电过程中硅基材料机械粉碎等问题。

然而即使对硅基材料进行纳米化处理，其颗粒本身在充放电过程中仍然会发生巨大的体积膨胀，从而使得由纳米颗粒制得的二次硅颗粒结构稳定变差，最终导致硅碳负极材料的电化学性能受到影响。

有鉴于此，确有必要提出一种硅碳负极材料及其制备方法，其能够彻底解决硅碳负极材料充电过程中体积膨胀对硅碳二次颗粒结构稳定性的影响，从而制备得到性能优良的硅碳负极材料。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种硅碳负极材料，包括核结构和壳结构，所述核结构中包括一次颗粒结构和导电组分，所述一次颗粒与导电剂组分紧密连接在一起；所述核结构中均匀分布着微孔结构，所述微孔孔体积占整个核结构体积的1％～80％。此时该硅碳负极材料核结构中预留了足够的空间，用于后续充电过程中硅颗粒的体积膨胀，因此硅碳负极材料整体结构的稳定性好，能够表现出更加优越的电化学性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种硅碳负极材料，包括核结构和壳结构，所述核结构中包括一次颗粒结构和导电组分，所述一次颗粒与导电剂组分紧密连接在一起；所述核结构中均匀分布着微孔结构，所述微孔孔体积占整个核结构体积的1％～80％；最大预留80％的孔隙率，因为即使非孔隙部分全部为硅基材料，预留空间也足够其体积膨胀。

作为本发明硅碳负极材料的一种改进，所述一次颗粒包括硅基材料一次颗粒和/或非硅基材料一次颗粒；所述导电剂及组分为传统导电剂或/和有机物碳化得到的导电剂；所述一次颗粒均匀分散于所述导电剂构成的导电网络结构中；所述核结构颗粒直径D1≥1μm，所述硅基一次颗粒直径D2≤5μm。

作为本发明硅碳负极材料的一种改进，所述硅基材料一次颗粒包括单质硅或/和硅氧化物；所述非硅基材料一次颗粒包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、钛酸锂、锡基负极材料、过渡金属氮化物、锡基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金中的至少一种；所述传统导电剂包括导电炭黑、超级导电碳、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑种的至少一种；所述有机物为包括有机碳源(所述有机碳源包括葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉、环糊精、糠醛、蔗糖、葡萄糖、玉米淀粉、木薯淀粉、小麦淀粉、纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯蜡、酚醛树脂、乙烯基吡咯烷酮、环氧树脂、聚氯乙烯、聚糖醇、呋喃树脂、脲醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯或聚丙烯腈中的至少一种)或/和高分子聚合物(所述高分子聚合物包括高分子聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、丁苯橡胶(SBR)、羧甲基纤维素钠(CMC)、聚丙烯晴(PAN)中的至少一种、所述碳源组分包括葡萄糖、蔗糖、可溶性淀粉、环糊精、糠醛、蔗糖、葡萄糖、玉米淀粉、木薯淀粉、小麦淀粉、纤维素、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚乙烯蜡、酚醛树脂、乙烯基吡咯烷酮、环氧树脂、聚氯乙烯、聚糖醇、呋喃树脂、脲醛树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏氟乙烯或聚丙烯腈、石油焦、油系针状焦、煤系针状焦中至少一种)。