[发明专利]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。

然而纳米结构的硅基颗粒极易团聚，分散难度大；而常用的导电剂材料，通常尺寸均较小(纳米级)，且比表面积较大，分散难度更大。但时，要最大化导电剂的导电效果以及制备性能更加优良的硅基二次颗粒材料，必须确保纳米硅基颗粒与导电剂均匀分散。同时，纳米结构硅基材料与导电剂之间的粘接力较弱，在体积膨胀过程中很容易导致两种之间断开，从而影响硅碳材料的电化学性能。

有鉴于此，确有必要提出一种硅碳负极材料及其制备方法，其能够将两种分散难度均较大的材料(纳米硅基颗粒、导电剂)均匀分散，同时确保两者之间紧密连接在一起，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，所述核结构为二次颗粒结构，且其中包括具有多孔结构的主导电网络以及填充于所述多孔主导电网络孔结构中的纳米一次颗粒；所述主导电网络与所述纳米一次颗粒之间，分布有辅导电网络，所述辅导电网络将所述主导电网络与所述纳米一次颗粒紧密连接在一起。从而确保该硅碳负极材料具有优良的电化学性能。

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，所述核结构为二次颗粒结构，且其中包括具有多孔结构的主导电网络以及填充于所述多孔主导电网络孔结构中的纳米一次颗粒；所述主导电网络与所述纳米一次颗粒之间，分布有辅导电网络，所述辅导电网络将所述主导电网络与所述纳米一次颗粒紧密连接在一起。壳结构是指负极材料通用的包覆层，主要为沥青等材料包覆、碳化得到，因此本发明不做详细阐述。

作为本发明硅碳负极材料的一种改进，所述主导电网络结构为多孔无定型碳网络结构、多孔硬碳网络结构、开口石墨烯结构、开口膨胀石墨结构、蠕虫状石墨烯结构中的至少一种；所述一次颗粒包含有纳米硅基负极颗粒；所述辅导电网络导电网络由高分子材料碳化得到。

作为本发明硅碳负极材料的一种改进，所述纳米硅基负极颗粒为纳米硅颗粒或/和纳米硅氧化化；所述高分子材料由高分子单体原位聚合而得到。

作为本发明硅碳负极材料的一种改进，所述辅导电网络中，还可以包括导电炭黑、超级导电碳、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑中的至少一种；所述一次颗粒还可以包括非纳米硅基负极颗粒；所述非纳米硅基负极颗粒为天然石墨、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、碳酸锂、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；

本发明还包括一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

步骤1，前驱体制备：将一次颗粒、聚合物单体混合后捏合，得到聚合物单体均匀的分散于纳米一次颗粒表面的前驱体；

步骤2，主导电网络结构制备：制备得到具有多孔结构的主导电网络结构待用；

步骤3，填充：将步骤1制得的前驱体填充进入主导电网络结构中；

步骤4，聚合反应：将步骤3的产物，置于引发剂存在的环境中，促使分散于一次颗粒表面的高分子单体聚合，得到高分子聚合物；此时生成的聚合物将把一次颗粒与主导电网络紧密的粘接在一起；