[发明专利]硅碳复合物的制备方法、硅碳复合物、负极材料及锂离子电池

说明书

本发明提供一种硅碳复合物的制备方法，包括以下步骤：持续提供碳氢燃料和氧化剂至燃烧室，使碳氢燃料在所述燃烧室中形成燃烧火焰；持续提供前驱体至所述燃烧火焰，所述前驱体在所述燃烧火焰中不完全燃烧生成碳化产物分布在所述燃烧室中；持续提供硅粉至所述燃烧室，所述硅粉与分布在所述燃烧室中的所述碳化产物反应生成具有碳包覆层的硅碳复合物；所述碳氢燃料与所述氧化剂的当量比为0.7～1.2；所述前驱体为可碳化的有机高分子化合物；所述硅粉的粒径为500nm～10μm。制备的硅碳复合物碳包覆层厚度均一性能好，颗粒形状规则，制备速率快、产率高，能够提高硅碳复合物的制备效率，有利于降低成本，实现产业化。

技术领域

本发明涉及电池负极材料及其制备方法，特别是涉及一种硅碳复合物的制备方法、硅碳复合物、负极材料及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池通常由正极、负极、电解液和隔膜组成，负极材料涂抹在铜箔上，正极材料涂抹在铝箔上，它 们之间由隔膜隔开，使正负极绝缘。负极材料通常为石墨，它与少量的导电剂、粘结剂掺混在一起涂抹在铜箔上构成锂离子电池的负极。采用石墨作负极材料时，每摩尔碳最多可以嵌入1/6摩尔的锂离子，因此其理论比容量为372mA.h/g。随着锂离子电池应用越来越广泛，人们并不满足于该理论容量，希望能使锂离子电池容量进一步提高，高容量的负极材料是锂离子电池容量提升的关键。硅与锂离子结合有多种形式，一般有Li₇Si₃、 Li₁₂Si₇、Li₁₃Si₄和Li₁₅Si₄等几种方式，这意味着每摩尔的硅最少可以嵌入1.7摩尔的锂离子，最多可以嵌入3.75mol的锂离子，因此采用硅作为负极材料其理论容量最少是石墨作为负极材料的10.2倍。但是锂离子嵌入负极后，会使材料膨胀，石墨的膨胀率约为10％，而硅的膨胀率至少是155％，因此尽管理论上硅作为负极材料，其容量高，但其体积膨胀使得硅材料目前还难以在工业上作为负极材料应用，体积膨胀是高容量负极材料应用的致命问题。

利用碳包覆硅可以在一定程度上克服硅材料的体积膨胀，然而传统的利用热水浴法、共沉淀法、烧结法等制备方法制备的碳包覆硅材料或包覆厚度不均一影响使用性能，或产率低或制备速率低难以产业化生产。

发明内容

基于此，有必要针对传统方法制备的碳包覆硅材料碳包覆层厚度不均一、难以产业化的问题，提供一种硅碳复合物的制备方法，制备的硅碳复合物用于锂离子电池负极材料。

本发明提供的一种硅碳复合物的制备方法，其中，包括以下步骤：

提供碳氢燃料和氧化剂至燃烧室，使所述碳氢燃料在所述燃烧室中形成燃烧火焰；

提供前驱体至所述燃烧火焰，所述前驱体在所述燃烧火焰中不完全燃烧生成碳化产物分布在所述燃烧室中；以及

提供硅粉至所述燃烧室，所述硅粉与分布在所述燃烧室中的所述碳化产物反应生成具有碳包覆层的硅碳复合物；

其中，所述前驱体为可碳化的有机高分子化合物；

所述硅粉的粒径为500nm～10μm。

在其中的一个实施例中，所述提供前驱体至所述燃烧火焰步骤包括：

将所述前驱体分散至分散介质中制得前驱体分散体系；

将所述前驱体分散体系持续通入所述燃烧火焰中；

其中，所述分散介质包括气态分散介质和/或液态分散介质，所述分散介质为惰性气体或燃烧后生成二氧化碳和/或水的化合物。

在其中的一个实施例中，当所述分散介质为液态分散介质时，将所述前驱体分散体系雾化后持续通入所述燃烧火焰中。

在其中的一个实施例中，所述燃烧火焰的温度为900K～2100K。