[发明专利]硅碳复合负极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体提供了一种硅碳复合负极材料及其制备方法和锂离子电池。所述硅碳复合负极材料为核壳结构的材料，其中，所述核部分包含纳米硅、无定型碳、石墨烯及碳纳米管，并且所述纳米硅的表面包覆有所述无定型碳，包覆了所述无定型碳的所述纳米硅分布于所述石墨烯和所述碳纳米管表面，所述碳纳米管形成三维交联的网络，并且所述石墨烯均匀分布于所述三维交联的网络中；所述壳部分为碳层。本发明提供的硅碳复合负极材料，结构稳定性能好，膨胀率小，由此得到的锂离子电池表现出良好的电化学性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，尤其涉及一种硅碳复合负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

硅用作锂离子电池负极材料，理论容量可达3580mAh/g，远高于石墨负极材料的容量(理论容量372mAh/g)，因此能大幅度提高锂离子电池的能量密度，电子产品和电动工具充电后的工作时间也能得到大大的提高。然而，硅在充放电时体积膨胀超过300％，容易出现粉化而失去电接触活性，导致硅负极循环寿命较差。

目前主要有以下几种方式来降低硅的体积膨胀效应：1)将硅进行纳米化；2)将硅与碳进行结合，一方面提高硅的电子传导率，另一方面用碳缓冲硅的膨胀；3)将硅与氧进行结合，首次充电时氧与锂、硅形成锂硅酸盐，缓冲硅的膨胀；4)将硅与其他金属形成合金材料，缓冲硅的膨胀。其中将硅纳米化，然后再与碳进行结合形成各种结构的硅碳复合材料是较为常见的一种方式。

申请号为106067547的中国专利公开了一种碳包覆纳米硅-石墨烯-裂解碳层复合材料、制备方法及包含该复合材料的锂离子电池。该复合材料包括由碳包覆纳米硅均匀分散于石墨烯片中而形成的球形颗粒，以及包覆在球形颗粒表面的裂解碳层。球形颗粒内部的石墨烯片与石墨烯片之间无任何连接作用力，在充放电时，球形颗粒内部的纳米硅膨胀，仅靠颗粒表面的无形碳层难保持球形颗粒结构的完整性，随着循环次数的增加，石墨烯片与石墨烯片会逐渐分离开，硅会逐渐失去电接触活性，从而导致循环性能降低。

申请号为105576203的中国专利公开了一种石墨烯/硅/碳纳米管复合材料及其制备方法与应用。该复合材料的制备方法为：将石墨烯、碳纳米管加入NMP溶液中，超声振荡使其分散均匀，再加入纳米硅粉，超声振荡使其分散均匀，将得到的混合溶液干燥、烘干、研磨，即得到石墨烯/硅/碳纳米管复合材料。由该制备方法及该专利中石墨烯/硅/碳纳米管复合材料的SEM图可知，石墨烯、硅和碳纳米管并没有造粒形成一定形状的颗粒，比表面积较大，且对硅膨胀的缓冲，石墨烯和碳纳米管没有起到相互协同作用，因此该复合材料的循环满足不了实际电池的应用。

发明内容

针对现有硅碳负极材料在充放电过程中存在的膨胀率大、材料结构不稳定而导致锂离子电池循环性能不佳等问题，本发明提供一种硅碳复合负极材料及其制备方法。

更进一步地，本发明还提供一种锂离子电池。

本发明是这样实现的：

一种硅碳复合负极材料，所述硅碳复合负极材料为核壳结构的材料，其中，所述核部分包含纳米硅、无定型碳、石墨烯及碳纳米管，并且所述的纳米硅表面包覆有所述无定型碳，包覆了所述无定型碳的所述纳米硅分布于所述石墨烯和所述碳纳米管表面，所述碳纳米管形成三维交联的网络，并且所述石墨烯均匀分布于所述三维交联的网络中；所述壳部分为碳层。

相应地，所述硅碳复合负极材料的制备方法，至少包括以下步骤：

提供纳米硅的分散液、石墨烯分散液及碳纳米管分散液；

将无定型碳前躯体与所述纳米硅分散液、石墨烯分散液、碳纳米管分散液进行分散处理，得到混合分散液；

将所述混合分散液进行喷雾造粒和热处理，得到硅碳复合负极材料的核；

在所述硅碳复合负极材料的核表面进行碳层包覆，获得硅碳复合负极材料。