[发明专利]一种锂离子硅碳复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子硅碳复合负极材料及其制备方法。所述锂离子硅碳复合负极材料的制备方法包括如下步骤：S1.将竹炭进行球磨粉碎处理得到竹炭粉末；S2.将竹炭粉末进行酸洗，抽滤、烘干、煅烧，得二氧化硅粉末；S3.向二氧化硅粉末中加入金属还原剂，在密闭环境下反应得还原产物，将还原产物进行酸洗、抽滤、烘干，得多孔硅粉；S4.将多孔硅粉与有机碳源混合，煅烧，冷却，得到硅碳复合负极材料。硅碳复合材料中硅含量占5～50%，可直接用于锂离子电池负极材料，经过120次充放电循环放电后比容量仍可保持603mAh/g，充放电性能优良。本发明以竹炭为硅源，来源广泛，价格低廉，制备方法操作性强，工艺条件易控制。

技术领域

本发明涉及生物质资源化和锂电池材料制备领域，具体地，涉及一种锂离子硅碳复合负极材料及其制备方法。

背景技术

随着人们对电子产品要求的提高和电动汽车的发展，提高锂离子电池的能量密度、使用寿命和安全性能是目前锂电行业研究的热点。开发具有高能量密度的负极材料，是提高锂电池性能的关键。与其他负极材料相比，硅基负极材料理论比容量可以达到4200mAh/g，远高于商业化石墨的理论容量372mAh/g，且硅在地球上储量丰富、来源广泛。但硅基材料相对于普通碳材料制备过程复杂，不同的硅源制备硅基材料的电化学性能差异较大，且在充放电过程中的高膨胀率（可达300%）使得材料粉化严重，容量衰减较快，以及充放电过程中，受到SEI膜被与电解液接触反应形成的氢氟酸不断侵蚀，导致硅的首次不可逆容量较大和容量衰减较快。所以寻找适合硅源、降低硅基材料制备成本和改善硅基材料循环稳定性具有重要意义。

竹类植物生长快、繁殖能力强，竹材廉价易得，由竹材制备的竹炭有较高的硅元素含量，并具有独特的连续网络的三维大孔微孔隧道结构，特有的大孔壁上还存在着许多的小孔，这种大孔套小孔的特殊结构具有大的比表面积，有利于电解液和活性物质的接触和迁移；并可形成电化学双电层，增加比容量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子硅碳复合负极材料的制备方法。

本发明的另一个目的是上述方法制备得到的锂离子硅碳复合负极材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种锂离子硅碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.将竹炭进行球磨粉碎处理得到竹炭粉末；

S2.将S1得到的竹炭粉末进行酸洗，抽滤、烘干、煅烧，得二氧化硅粉末；

S3.向S2得到的二氧化硅粉末中加入金属还原剂，在密闭环境下反应得还原产物，将还原产物进行酸洗、抽滤、烘干，得多孔硅粉；

S4.将步骤S3中得到的多孔硅粉与有机碳源混合，煅烧，冷却，得到硅碳复合负极材料。

本发明以废弃竹材为原料，利用生物态硅碳源，采用纯化、催化炭化、金属热还原法制备分级多孔硅，然后通过包覆碳层进行改性，制备出多孔硅碳复合材料。本发明针对现在硅单质材料高昂的制备成本和充放电过程中材料结构的不稳定性，提供一种通过生物质竹类材料制备硅单质的方法，然后在硅表面包覆一层导电碳层。所述竹炭由竹纤维、竹叶、竹茎（块）碳化制备得到，通过高温热处理、金属热还原得到单质硅材料，然后利用有机碳源包覆单质硅，制备得到硅碳复合材料。这种多孔硅碳材料能有效缓解硅在充放电过程中的体积变化，维持材料结构稳定性，并改善材料的导电性能，增强硅负极材料的循环性能和倍率性能。