[发明专利]一种高压实的锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高压实的锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法。所述的硅碳复合材料为硅基材料和碳材料组成的片状结构。所述的制备方法包括以下步骤：将硅基材料、碳材料、表面活性剂和粘合剂均匀混合后，加入溶剂球磨至分散均匀的浆料；将上述浆料干燥去除溶剂后在惰性气氛保护下高温热解；将得到的黑色粉末进行表面包覆处理并热解。本发明所述的硅碳复合材料在作为锂离子电池负极材料时表现出高的比容量、优异的循环性能和压实性能，并且本发明的制备方法简单易于调控，有利于工业化生产。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种高压实的硅碳复合负极材料和其制备方法以及含有所述硅碳复合材料的电池负极和锂离子电池。

背景技术：

锂离子电池由于具有高比容量、高能量密度和功率密度、无自放电、绿色环保等优点，已经成为目前科学研究和工业开发的热点。随着便携式电子产品、电动交通工具以及储能电站等领域的快速发展，锂离子电池的能量密度、功率密度和循环寿命等性能指标也需要进一步提升。目前商业化锂离子电池中负极材料主要是石墨类材料，而石墨类材料的理论容量为372mAh/g，限制了锂离子电池能量密度的进一步提高。因此，开发高容量的负极材料是解决当今社会能源问题的关键。

以硅基材料为代表的新型高比容量负极材料受到了人们的广泛关注。硅基负极材料具有高的储锂容量和较低的电压平台，是非常理想的下一代锂离子电池负极材料。然而，硅基材料在脱嵌锂过程中具有巨大的体积膨胀率(300％)和低的电导率，而且其首圈库伦效率很低，导致其至今没有得到广泛的使用。目前的解决办法通常是将硅基材料与碳材料进行复合来提高材料的导电性和循环稳定性：碳材料的电导率高，与常规电解液兼容性好，将硅基材料均匀的分散在碳材料中能显著提升复合材料整体的导电性；硅基材料均匀的分散在碳材料中，碳材料能有效的缓冲硅基材料的体积膨胀，从而降低复合材料整体的体积膨胀率，提升复合材料的循环稳定性。因此，硅基材料与碳材料的复合得到了广泛的研究，但是在不影响其容量发挥的前提下，开发一种低成本、可大规模制备、耐高压实的硅碳复合材料仍是所属领域的技术难题。

CN103123967A公开了一种锂离子电池SiO/C复合负极材料及其制备方法，步骤包括：将石墨、正硅酸乙酯、聚乙烯吡咯烷酮在溶剂中分散均匀；调节pH值至8-9，除去溶剂后在惰性气氛下热解；将柠檬酸的乙醇溶液与上述产物混合，球磨后在惰性气氛下热解即得到SiO/C复合负极材料。该发明采用液态的正硅酸乙酯为硅源，使水解产生的氧化硅能更均匀的分散在石墨中，再通过热解柠檬酸的乙醇溶液引入碳源，克服了现有的SiO/C复合负极材料循环稳定性差以及煅烧温度高的缺点，提供了一种比容量高和循环稳定性好的锂离子电池SiO/C复合负极材料及其制备方法。但该方法需要多次去除溶剂及惰性气氛下热解的步骤，操作过程繁琐，同时该方法以正硅酸乙酯为硅源，水解产物的氧含量不易控制，不利于商业化。CN103022446A公开了一种锂离子电池硅氧化物/碳负极材料及其制备方法，该发明公开的锂离子电池硅氧化物/碳负极材料是具有核壳结构的三层复合材料，采用石墨材料为内核，多孔硅氧化物为中间层，有机热解碳为最外包覆层；其制备方法包括多孔SiO_x的制备及碳包覆工艺；但该方法需要加入活性金属以还原部分SiO_x，所得生成物结构虽然对硅颗粒在充放电过程中的体积膨胀效应能进行自吸收，但是活性金属的引入会大大降低该材料的质量比容量，同时提高了材料的整体活性，使制备难度增加，商业化困难。CN105655564A公开了一种具有核壳结构的SiO_x/C复合材料及其制备方法，该发明中的SiO_x颗粒表面具有非晶态的导电碳层，且所述硅碳复合材料颗粒之间具有自由空间，可以缓冲充放电过程中产生的巨大的体积膨胀，从而提高材料的循环性能。然而，该材料的制备过程需要在SiO_x颗粒表面在有机碳源气体、氢气和惰性气体环境中包覆非晶态的导电碳层，该方法效率低且对设备要求高，不适合大规模制备；而且该发明公开的材料为具有空隙的核壳结构，在用作高压实密度的负极材料时很难保持原有的形貌，循环性能较差。