[发明专利]一种高性能锂离子二次电池负极材料Si/C复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种高性能锂离子二次电池负极材料Si/C复合材料及其制备方法，该制备方法包括步骤如下：将甘蔗渣浸泡于酸溶液中，经洗涤、干燥、空气氛围下煅烧，得SiO₂粉末；将SiO2粉末与镁粉研磨混合均匀后，于还原性保护气体氛围下煅烧，经酸溶液、氢氟酸水溶液中浸泡，然后经洗涤、干燥，得Si纳米颗粒；将得到的Si纳米颗粒加入抗坏血酸水溶液中，室温搅拌，然后于80‑100℃下搅拌0.5‑1h；于保护气体氛围下煅烧，得Si/C复合材料。本发明所使用的原料简单易得、绿色环保、价格便宜且可大批量生产；实验方法简单易操作，对设备要求低；制得的材料孔径分布均匀，且具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种高性能锂离子二次电池负极材料Si/C复合材料及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

硅被认为是最有希望的负极材料之一，因为它的理论比容量(4200mA h/g)是商业化石墨负极(370mA h/g)的十几倍。然而，硅负极材料存在着严重的问题，即在充放电循环过程中硅电极会经历相当大的体积膨胀(在电化学锂化期间体积膨胀可以达到300％)，导致硅的开裂和粉碎，最终造成负极材料的容量在几圈充放电循环之内快速的严重损失。

研究者们经探索发现，使用纳米结构的硅可以有效地解决上述问题，因为纳米硅之间存在着间隔距离，其可以作为结构缓冲空间来适应硅的体积膨胀。实验结果也已经证明纳米硅确实具有优越的电化学性能，然而，硅的长循环性能仍然不能令人满意。因此研究者们也正在探索设计合成合适的结构使硅材料既有高的比容量也有好的倍率和长循环性能，不断推进硅作为有潜力的锂离子电池负极材料的商业化进程。

在硅材料上包覆碳及其相关材料或者金属材料的研究也已经开展起来，通过这些无定形碳和金属涂层作为硅的缓冲材料，可以有效地缓解硅在电化学过程中的巨大的体积变化而引起的机械应力，同时也可以充当电子导体，进而有效地提高材料的导电性。如，中国专利文献CN104752691A公开了一种锂离子电池用硅/碳复合负极材料及其制备方法。该材料由石墨骨架材料、中间缓冲层SiOC材料、碳纤维和表面包覆碳的含硅材料组成，并且表面包覆碳的含硅材料通过缓冲层SiOC和碳纤维与石墨骨架材料结合；该复合材料中，包覆了无定形碳的硅材料在SiOC和碳纤维的作用下较为有效地与石墨接触，避免硅材料自身的团聚和与石墨的剥离；该复合材料结构设计很新颖但是制备步骤繁杂，成本较高，不利于工业生产，且电化学性能一般，长循环性能有待进一步的开发；再如，中国专利文献CN104466185A公开了一种硅/碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池负极和锂离子电池。该硅/碳复合负极材料是以纳米硅颗粒为核、以原位碳为壳的核壳包覆结构，且所述纳米硅颗粒与所述原位碳壳体之间存在有空隙；该负极材料的制备方法包括：有机碳源包覆SiO2复合材料、对有机碳源包覆SiO2复合材料进行预氧化处理、对预氧化处理后的有机碳源包覆SiO₂复合材料进行原位碳化和SiO₂的镁热还原反应等步骤。该发明的硅/碳复合负极材料具有优异的导电性能和结构稳定性能，其制备方法安全环保，适于工业生产。但是制备步骤较麻烦，成本较高，原材料采用的是买来的纳米化的二氧化硅，需要进一步处理，且电化学性能有待提高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种高性能锂离子二次电池负极材料Si/C复合材料，该复合材料孔径分布均匀且具有优异的电化学性能。

本发明还提供一种上述高性能锂离子二次电池负极材料Si/C复合材料的制备方法，该制备方法简单易操作，对设备要求低，所使用的原料简单易得、绿色环保、价格便宜，且可大批量生产。

本发明的技术方案如下：

一种高性能锂离子二次电池负极材料Si/C复合材料，该复合材料包括碳和硅的复合物，所述复合物中碳的质量含量为10-35％，硅的质量含量为65-90％；该复合材料的微观形貌是：Si纳米颗粒表面包覆有碳层，形成碳硅纳米复合球，并负载在片层状碳的表面。