[发明专利]一种具有多层次核壳结构的硅碳材料及制备方法和应用

说明书

一种具有多层次核壳结构的硅碳材料及其制备方法和应用，涉及锂离子电池材料技术领域。该硅碳材料由硅层和碳层间隔包裹而成，其中，硅层与硅层之间以碳层隔离，碳层与碳层之间以硅层隔离；其中，该硅碳材料呈颗粒状，颗粒粒度为0.5‑10μm，其中，硅层的径向厚度为20‑500nm，碳层的径向厚度为50‑1000nm。本发明的复合材料能够具备高的容量的同时，具备长循环的特点。该硅碳材料较高的电化学储锂容量和较小的能量损失，使其具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种具有多层次核壳结构的硅碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，商业化的锂离子电池负极材料主要是石墨。但石墨的质量比能量仅为372mAh/g，远不能满足人们的需求。尤其是《节能与新能源汽车产业发展规划》及《促进汽车动力电池产业发展行动方案》明确指出，至2020年，动力电池单体电池能量密度至少要达到300Wh/kg以上。而以石墨为负极的电池很难达到该要求。

硅是如今发现的所有负极材料中比能量最高的材料，其质量比能量可达到4200mAh/g，体积比能量可达9786mAh/cm，是目前商业化的石墨基负极材料的10倍以上。

然而，由于硅是一种半导体，其导电性较差。硅颗粒在嵌锂过程中的体积膨胀高达300%，一方面，会导致颗粒内部的应力会造成颗粒的破碎，造成颗粒的粉化；另一方面，削弱了材料与导电剂、集流体之间的接触，使部分材料从集流体脱落，从而影响电池的循环寿命；另外，硅在充放电过程中的体积变化，将导致SEI膜不断生长、破裂、SEI膜不断变厚，造成容量的衰减。

为此，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。其中，采用硅与导电性强的碳材料复合（如Si/C材料等）成为研究者研究的热点。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种具有多层次核壳结构的硅碳材料；本发明的目的之二是提供一种具有多层次核壳结构的硅碳材料的制备方法；本发明的目的之三是提供一种具有多层次核壳结构的硅碳材料的应用。

本发明为实现目的之一所采用的技术方案为：

一种具有多层次核壳结构的硅碳材料，该硅碳材料由硅层和碳层间隔包裹而成，其中，硅层与硅层之间以碳层隔离，碳层与碳层之间以硅层隔离。

其中，本发明中，该硅碳材料呈颗粒状，颗粒粒度为0.5-10μm，其中，硅层的径向厚度为20-500nm，碳层的径向厚度为50-1000nm。

本发明为实现目的之二所采用的技术方案为：

一种具有多层次核壳结构的硅碳材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）、取硅源和无水醇配置成溶液；

（2）、另取碳微球与步骤（1）配置的溶液混合后超声辅助一定时间后静置，洗涤至滤液至中性后，将过滤物在惰性气氛下进行焙烧；

（3）、将焙烧后的物质与镁粉混合后置于马弗炉中反应，得反应物；将反应物用酸溶液浸泡并用去离子水洗涤至滤液至中性后，干燥，得到具有多层次核壳结构的硅碳材料。

其中，步骤（1）中，以硅酸四乙酯、氯化硅、有机硅烷中的一种或几种为硅源，以无水乙醇或无水甲醇为溶剂，将硅源配置成浓度为0.1-5.0mol/L的溶液。

其中，步骤（2）中，以碳微球：步骤（1）配置的溶液的体积比为1：（1-10）的比例，将两者混合在一起，超声辅助0.1-3.0h，并将所得样品静置2.0-72.0h，之后用去离子水或乙醇洗涤、过滤至滤液pH为7。