[发明专利]一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法与应用。该方法包含如下步骤：(1)将硅粉进行高温气化处理，得到气态硅；然后急速冷却，得到纳米硅；(2)将鳞片石墨进行球磨，干燥，得到纳米石墨片；(3)将上述纳米硅加入到水中，并加入硅烷偶联剂，得到混合液A；然后将纳米石墨片和柠檬酸加入到混合液A中，得到混合液B；(4)将有机碳溶液加入到混合液B中，得到混合液C，喷雾干燥，得到硅碳复合材料前驱体；(5)将硅碳复合材料前驱体在惰性气体环境中煅烧得到锂离子电池硅碳负极材料。本发明工艺简单、操作方便，适宜工业化生产，制得的锂离子电池硅碳负极材料表现出电化学性能优秀、比容量高、循环稳定性好的优点。

技术领域

本发明属于能源储能材料技术领域，特别涉及一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

目前各国基本主导的能源还是煤炭、石油、天然气等传统能源，但是随着全球经济的飞速发展，煤炭、石油、天然气等不可再生资源的过量开采和使用，导致能源资源储量正在日益减少，因此能源的短缺无法满足当今世界各国快速发展的需求。同时，煤炭、石油等不可再生能源的大量使用也给环境带来了巨大的污染问题：全球气候变暖、空气质量变差、水污染。因此，我们必须要发展可持续能源，即开发可再生、低污染的新能源。在全球能源短缺和环境恶化的背景下，国家提倡采用储能电池作为电动自行车、电动汽车等交通工具的动力源，锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优点，而且它是一种绿色的能源储存与转换装置。现在，锂离子电池已经广泛应用于便携式电子设备和动力汽车等领域。

石墨碳类负极材料具有良好的导电性、丰富的资源、无污染等优点，已成功实现产业化应用。然而，石墨的理论比容量较低(372mAh/g)，已无法满足动力能源的日益需求，并且它的充放电平台较低(0.01～0.2V vs.Li/Li⁺)容易引起石墨负极表面析锂，而存在安全隐患。目前研究较多的锂离子电池负极材料有：钛酸盐、金属氧化物、锡基合金、锗基，以及硅基负极材料等。硅的理论比容量高达4200mAh/g(Li₂₂Si₅)，高出已经商业化的石墨类材料(372mAh/g)十倍以上，因此硅负极材料具有巨大的应用前景。但是纯硅材料作为锂离子电池负极材料存在不可忽视的问题：一是硅属于半导体，导电性很差；二是在硅在嵌脱锂的过程中会出现严重的体积膨胀，使得电极材料在多次循环过程中会逐渐粉化而导致结构坍塌，进而引起首次效率和循环寿命低等问题。

针对上述纯硅电极材料的缺点，目前研究较多的改善方案有：硅的纳米化、多孔硅、硅的合金化以及硅基复合。而硅基负极材料的制备方法有：铝热法还原二氧化硅制备多孔硅、高能纳米球磨制备纳米硅、CVD沉积制备硅纳米线、磁控溅射制备硅纳米薄膜、以及制备硅基复合材料(球磨混合、喷雾干燥、CVD碳包覆、液相有机碳非原位包覆、化学法原位聚合包覆等)。其中，硅碳复合材料中纳米硅的分散和纳米硅的包覆碳壳层的稳定性是硅碳负极材料电化学性能高低的关键因素。闭式循环喷雾干燥具有的优点有：简易的制备工艺流程，循环利用溶剂，快的干燥速率，产量大，因此非常适用于产业化生产。但现有的方法获得的硅基负极材料在实际应用时存在的较大的不可逆容量、差的导电性及循环稳定性等问题。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述方法制备得到的锂离子电池硅碳负极材料。该硅碳负极材料以高能纳米球磨的鳞片石墨作为载体，首次放电比容量达1300mAh/g以上，首次充放电效率高、比容量高、循环性能稳定、倍率性能好，解决了现有硅基负极材料在实际制备应用时存在的较大的不可逆容量、差的导电性及循环稳定性等问题。

本发明的再一目的在于提供上述锂离子电池硅碳负极材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，包含如下步骤：