[发明专利]一种具有纳米层级结构的硅基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种硅基复合材料及其制备方法和应用，该复合材料为纳米层级结构，包括纳米硅基中心、导电金属中间层和碳包覆外层；在碳包覆外层与导电金属中间层两者之间设置有空腔层；所述导电金属中间层与纳米硅基中心的表面相接触；和/或；在导电金属中间层与纳米硅基中心两者之间部分设置有空腔层，所述导电金属中间层与纳米硅基中心的表面剩余部分相接触。本发明的空腔层结构，避免了因硅材料在充放电过程中的体积效应引起的碳包覆外层的坍塌造成的电极的破坏，并维持SEI的结构稳定性，从而使得这种含空腔层的硅基‑金属‑碳多元异质型复合材料具有好的循环电性能，用作锂离子电池负极材料活性组分更好。此外，本发明工艺简单，效率高。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种硅基复合材料及其制备方法和应用，该硅基复合材料具有纳米层级结构，可用作锂离子电池硅基负极材料。

背景技术

在手机和电动汽车等应用场合，高比能锂离子电池需求迫切。目前，商业化锂离子电池主要采用石墨类负极材料，但其实际容量低，且已接近理论比容量值(372mAh/g)。另外，石墨电极的嵌锂电位主要发生在0.02V～0.2Vvs.Li/Li+之间，该电位区间与锂沉积的电位很接近，当电池快速充电或过充电时，石墨负极表面易析出金属锂，形成的锂枝晶容易刺穿隔膜，从而引发安全问题。因此，寻找比石墨负极储锂容量更高、更安全可靠的新型负极材料十分重要。

在众多负极材料中，硅基材料具有资源丰富、环境友好、理论比容量高(4200mAh/g)和安全性好(嵌/脱锂电位高于石墨:～0.4V vs.Li/Li+)等特点，因而得到了广泛关注，是当前最有希望大幅提高锂离子电池负极性能的材料。然而，硅基材料本身导电能力差；而且其在锂离子充放电过程中会发生剧烈的膨胀收缩和粉化，这种大的体积效应(硅：400％；一氧化硅：200％)一方面使得活性物质与活性物质之间、活性物质与集流体之间失去电接触，另一方面不断产生新的表面消耗锂离子持续形成新的固体电解质界面膜(SEI)，从而造成电化学性能的快速衰减。

迄今为止，对硅材料的改性的方法主要是将硅材料纳米化，以及复合碳质基底等。比如，公开号为CN 105047870A的中国专利文献公开了一种碳包覆硅复合材料及其制备方法，该复合材料包括存在于复合材料内部的且作为主要储锂活性物质的硅材料，以及具有一定的储锂容量的有机热解掺氮碳包覆外层。上述方法在一定程度上对硅的锂电性能有所提高，但依然存在问题，硅材料在锂离子充放电过程中的体积膨胀收缩容易破坏碳包覆外层，从而破坏了整个电极材料的结构稳定性，降低了电性能。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种硅基复合材料及其制备方法和应用，本发明提供的硅基复合材料具有较好的循环电性能。

本发明提供一种硅基复合材料，为纳米层级结构，其从里到外依次包括：纳米硅基中心、导电金属中间层和碳包覆外层；

在碳包覆外层与导电金属中间层两者之间设置有空腔层；所述导电金属中间层与纳米硅基中心的表面相接触；

和/或；

在导电金属中间层与纳米硅基中心两者之间部分设置有空腔层，所述导电金属中间层与纳米硅基中心的表面剩余部分相接触。