[发明专利]基于硅基分子筛结构的硅碳复合材料制备方法及锂电池

说明书

本发明涉及一种基于硅基分子筛结构的硅碳复合材料及其制备方法以及含该材料的锂离子电池，通过将硅基分子筛中氧化态的硅还原为单质，并在分子筛孔道中将糖类或烃类碳化，形成硅碳材料，该硅碳材料能够用作锂离子电池的负极材料，具有优越的循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种基于硅基分子筛结构的硅碳复合材料及其制备方法以及含该材料的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、环境友好、循环性能优异等性能而备受关注。随着汽车工业向电动车的转变以及小型化电池的发展，高能量密度电池的开发与应用迫在眉睫。然而，目前商业化的石墨负极的能量密度很低（仅为372mAh/g），很难满足人们对电动汽车续航里程的要求。

硅具有较高的理论容量（4200mAh/g，约是石墨负极的10倍），因而，硅作为锂离子电池负极受到了广泛而深入的研究。不幸的是，虽然硅具有较高的理论容量，由于硅本身是半导体，导电性较差，其在充放电过程中，表现出较大的体积变化（＞300%），使得材料与导电剂、电解液之间的接触恶化，导致容量的急剧衰减。

研究者做了大量的工作来提高硅材料的导电性，降低硅在充放电过程中的体积变化，以改善硅负极的循环性能。比如：硅颗粒的纳米化（纳米线、纳米管、多孔硅、空心硅、硅薄膜）、复合化（无定形碳、碳纳米管、石墨烯、二氧化钛）、合金化（FeSi、NiSi）、采用新型的导电剂及电解液添加剂（自愈型聚合物、导电聚合物）等等。

构建多孔硅是缓解硅体积变化的有效途径之一。如专利CN104254490A公布了一种包含介孔硅的硅碳材料，其在100mA/g的电流密度下，所述复合材料的可逆容量约为1400mAh/g；当电流密度变为300mA/g时，得到约1180mAh/g的可逆容量。在经过240个循环之后，容量保持率为82.8%，从而得到977mAh/g的比容量。

本发明是在此技术背景下，对硅碳复合材料进行研究所取得的成果。

发明内容

本发明通过对硅碳复合材料的研究，提供一种基于硅基分子筛结构的硅碳复合材料及其制备方法以及含该材料的锂离子电池，所述的硅碳复合材料具有优越的循环性能。

本发明的技术方案是：

一种基于硅基分子筛结构的硅碳复合材料，以硅基分子筛为原料，将氧化态的硅原子还原为硅单质，且还原反应时不破坏硅基分子筛的孔道结构（本发明中的孔道包括笼，本发明中不破坏孔道结构指的是空间位置不变，而不是化学键不断裂），硅基分子筛孔道内分布有碳单质。

进一步地，所述的硅基分子筛为选自纯硅分子筛、硅铝分子筛和钛硅分子筛中的任意一种或几种。更加进一步地，所述的纯硅分子筛为选自SBA和KIT中的任意一种或几种；所述的硅铝分子筛为选自SAPO、ZSM、MCM、丝光沸石、β-分子筛、MOR、SSZ中的任意一种或几种；所述的钛硅分子筛为选自TS、TPSO中的任意一种或几种。

进一步地，将氧化态的硅原子还原为硅单质所用的还原剂为金属还原剂，所述的金属还原剂为镁或铝，镁或铝的质量为硅基分子筛质量的0.05-2倍，还原反应在惰性气氛中进行，反应温度为500-900℃，反应体系升温速率为0.5-3℃/min。

进一步地，硅基分子筛孔道内分布的碳单质是由糖类或烃类碳化生成。

一种如上任一项所述的硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：将硅基分子筛与其质量0.05-2倍的金属还原剂混合均匀，所述的金属还原剂为镁或铝，混匀后在惰性气氛中以0.5-3℃/min的升温速率升至500-900℃焙烧0.5-6h；将焙烧后的混合物冷却，置入氢离子浓度为0.1-5mol/L的酸溶液中搅拌2-48h；过滤、冲洗，得到含有硅单质的中间材料；将含有硅单质的中间材料分散于糖类溶液中并使糖类碳化，或者将含有硅单质的中间材料在烃类气氛中并使烃类碳化，得到硅碳复合材料。