[发明专利]一种硅碳复合材料、其制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用

说明书

本发明涉及一种硅碳复合材料、其制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。所述硅碳复合材料为双手合抱型三维网络状结构，其具体制备方法为利用利用气相沉积先在基底上生成一层过渡层的碳，然后在过渡碳层上再次进行沉积得到，本发明的有益效果在于：本发明硅碳复合材料由多个纳米级颗粒组合而成，有好的机械强度和韧性，可以有效的减轻由于硅的体积膨胀导致的活性材料的脱落。同时本发明中提供的方法制备的电极材料不使用粘结剂，避免了粘结剂变性和粘结剂本身带来的电极性能降低。以有机硅作为硅源，可以避免使用SiH4而造成的安全隐患；也不需要使用氢氟酸处理，整个过程没有有毒有害废弃物产生，实现绿色生产。

技术领域

本发明属于纳米材料的制备技术领域，更具体的，涉及一种硅碳复合材料、其制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。

背景技术

随着温室效应导致的全球变暖，全社会对环境的关注度越来越高。与此同时，经济的发展对能源的需求越来越大，而传统的石油，煤炭，天然气等化石能源一方面属于不可再生资源，另一方面，它们的使用带来严重的环境问题，促使人们迫切的需要开发可再生能源，以满足经济、社会与环境的可持续发展。

锂离子电池由于具有比能量大，工作电压高，安全性好，环境污染小等优点，在各种便携式电子设备，电动汽车和新能源存储等领域有广阔的应用前景。一般说来，负极材料作为锂离子电池储锂的主体，在充放电过程中实现锂离子的嵌入和脱出，是提高锂离子电池比容量，循环性，充放电等相关性能的关键。目前商业化的负极材料主要是以石墨为主的传统碳材料，而石墨理论的比容量只有372mAh/g，这很大程度上限制了锂离子电池总比容量的进一步提高。因此，发展新型的具有高比容量的负极材料十分紧迫。

硅被认为是最有潜力的新一代高容量锂离子电池负极材料，与传统的石墨负极材料相比，硅具有极高的质量比容量(4200mAh/g)是天然石墨的十多倍。硅在合金材料中的堆积密度与锂相近，因此硅还具有很高的体积比容量；不同于石墨类材料，硅的高比容量源于硅锂的合金化过程，因而硅负极材料不会与电解液发生溶剂共嵌入，进而对电解液的适用范围更广；相比于炭材料，硅有更高的脱嵌锂电位，可有效避免大倍率充放电过程中锂的析出，能够提高电池的安全性。但由于硅的体积膨胀，在充放电过程中会使其结构被破坏，使活性材料从集流体上脱落，且不断形成不可逆电解质膜，最终导致硅负极材料低的可逆容量、差的循环稳定性和倍率性能。硅碳复合纳米结构是抑制体积膨胀一种非常有效的途径。这主要是因为碳材料导电性能良好、体积变化小。硅材料被包覆以后，可增强材料的导电性能，避免硅纳米颗粒之间的团聚以及材料的膨胀，从而增长循环寿命，提高倍率性能。因此，制备硅碳复合纳米结构锂离子电池负极材料具有良好的经济效益和广阔的市场前景。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种电化学性能好，绿色环保的双手合抱型三维网络状结构硅碳复合材料。

本发明另一目的在于提供一种硅碳复合材料的制备方法。

本发明第三目的在于提供一种硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料的应用。

本发明第四目的在于提供一种以硅碳复合材料为负极材料的锂离子电池。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提供一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料为双手合抱型三维网络状结构，所述硅碳复合材料以碳网络过渡层为基底，在碳网络过渡层每个手型结构上包括有多个“带有手指的双掌和双腕”状和“合抱的双掌球”状的组成单元，该组成单元中含碳量为30～80％(wt)，余量为硅。

其中，根据本发明优选实施例，本发明中碳网络过渡层的厚度为50～200nm，“手指”状是长度为0.05～1μm颗粒，“双腕”状是长度为0.2～3μm颗粒，“合抱的双掌球”状是长度为0.5～2μm颗粒。

本发明中硅碳复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：