[发明专利]纳米硅/碳复合材料、制备方法及包含其作为负极材料的锂离子电池

说明书

本发明公开了一种纳米硅/碳复合材料、制备方法及包含其作为负极材料的锂离子电池。所述方法包括：1)将纳米硅、偶联剂、共轭二烯烃和烯烃单体混合；2)将所得混合物与水、乳化剂、引发剂和助表面活性剂混合，采用微乳化的方法制备得到微乳液，然后通过微乳液聚合的方法在纳米硅表面形成交联聚合物包裹材料；3)破乳，碳化，得到纳米硅/碳复合材料。本发明的纳米硅/碳复合材料中，纳米硅内核与无定形导电碳层的结合非常紧密且稳定，不仅解决了一般碳层与硅材料之间包裹不均匀且结合不紧密的缺点，同时也抑制了硅材料在循环过程中的体积膨胀，采用该复合材料制成的电池循环性能优异，同时具有优良的倍率性能以及较低的体积膨胀效应。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料应用领域，涉及一种纳米硅基复合材料、制备方法及用途，尤其涉及一种纳米硅/碳复合材料、制备方法及包含其作为负极材料的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池由于具有电压高、循环寿命长、安全性能好、快速充电等突出优点，已广泛应用于移动终端、数码产品及便携式移动设备、电动汽车和储能电站等领域。但是，随着环保节能的要求越发严格，新能源汽车市场得到了高速地发展，目前锂离子电池很难满足新能源汽车长续航能力的要求，因此开发高能量密度电池产品已成为锂电行业的迫切需求。

商业化锂电池使用的负极材料主要是石墨，但是石墨本身的理论比容量仅为374mAh/g，限制了电池比能量的进一步提高。硅负极材料具有高达4200mAh/g的理论储锂比容量，高出石墨负极材料10倍以上。此外，硅电压平台略高于石墨(～0.4V)，在低温充电或快速充电(嵌锂)时引起表面析锂的可能性小，安全性能要好于石墨，受到材料界普遍的关注与研究。但是，硅在充放电过程中体积变化非常大(370％)，巨大的体积效应会引起强烈的机械应力，致使电极活性材料与集流体之间电接触变差，活性硅也会发生粉化，从而造成电极容量迅速衰减。此外，硅较低的电导率以及与常规电解液的兼容性也是制约其商业化应用的重要因素。因此，开发新型Si基负极材料，改善Si基材料膨胀性能，提高Si基材料循环寿命，将极大的推动锂离子动力电池材料及相关技术的发展，从而促进电动汽车的产业化推广。

为解决硅体积膨胀问题，主要是对硅进行改性，包括对硅纳米化、合金化、多孔化、掺杂以及包覆等等。常规通过固相法，液相法，浸渍法形成碳包覆虽然可以一定程度上减少硅与电解液的副反应，同时抑制体积膨胀，但是存在包覆碳包覆硅不均匀，材料之间结合力差的问题，从而导致复合材料长循环性能不佳，膨胀过大等。

因此，如何更加有效缓解硅体积膨胀，保证硅负极循环稳定性，获得高比容量、长循环寿命的硅负极材料，是当前锂电池领域亟待解决的技术热点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种纳米硅/碳复合材料、制备方法及包含其作为负极材料的锂离子电池。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种纳米硅/碳复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将纳米硅、偶联剂、共轭二烯烃和烯烃单体混合，得到混合物；

(2)将步骤(1)所得混合物与水、乳化剂、引发剂和助表面活性剂混合，采用微乳化的方法制备得到微乳液，然后通过微乳液聚合的方法在纳米硅表面形成交联聚合物包裹材料；

(3)破乳，然后碳化，得到纳米硅/碳复合材料。

本发明步骤(2)所述混合、制备微乳液均在常温下进行。

本发明中，步骤(2)所述高度交联聚合物包裹材料实际是聚合粒子。所述聚合粒子的粒径优选为50-500nm。

本发明中，经过步骤(3)的碳化，聚合物转化为非晶态的碳。