[发明专利]一种双碳结构修饰的硅碳复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种双碳结构修饰的碳硅复合负极材料及其制备方法。双碳结构修饰的碳硅复合负极材料，具有两级碳结构；具有核壳结构的纳米硅碳团簇并均匀分散在三维导电碳网络中，形成二级微米级颗粒。以该特殊结构硅基复合材料作为活性材料制备电极后组装的电池，经过循环充放后库伦效率稳定在98％以上，具有很好的容量稳定性；并且在不同电流密度下稳定性与承受冲击能力较好，倍率性能相对单质硅电池材料得到大幅改善。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种用于锂离子电池负极的双碳结构修饰的硅碳复合材料及其制备方法。

背景技术

电化学储能是当今用于储能技术中最为清洁的技术，也是将来最有前景的发展方向。其中锂离子电池因其能量密度高、循环性能好、无明显的自放电现象等优势，已然成为各类便携式电子产品如手机、笔记本电脑的高效储能设备，并已经在电动汽车上应用，将来甚至会普及到航天、军事等高端领域。

对于锂离子电池来说，负极材料很大程度上决定了电池的能量密度。相比于传统的商业化石墨负极材料，硅材料有极高的理论比容量。单质硅材料能够与锂形成理论比容量为4200mAh/g的合金相Li₂₂Si₅，为传统负极材料石墨(372mAh/g)的10倍左右，是目前已知的具有最高储锂容量的负极材料，且放电台较低，储量丰富，对环境影响小，因此硅材料是锂离子电池负极材料中最有前景的候选者。

但是硅材料作为锂离子电池负极材料仍面临着巨大挑战，一方面硅材料在锂化与脱锂时发生大幅度的体积变化(400％左右)，反复的充放电过程会导致硅颗粒的粉化，失去与集流体的电接触而失活，也会使SEI膜不断生产，使其容量迅速衰减；另一方面硅材料本身的电导率与锂离子迁移速率较低，在大电流充放电时硅利用率较低，容量保持率低。因此硅材料尽管比容量高，但其稳定性差、循环寿命短，不能满足高功率密度设备的应用需求。为了解决硅材料电化学性能差的问题，必须从根本上减缓硅材料体积效应带来的影响，并改善其电导率与锂离子扩散差的情形，即需要设计硅材料结构，保证电极材料的稳定性，并通过与其它材料复合，协同改善其大电流密度下容量保持率差的情况。同时其材料制备方法也应简单容易实现，以推进其商业化应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种新型的用于锂离子电池负极的双碳结构修饰的硅碳复合负极材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

提供一种双碳结构修饰的碳硅复合负极材料，

具有两级碳结构；具有核壳结构的纳米硅碳团簇并均匀分散在三维导电碳网络中，形成二级微米级颗粒。

按上述方案，所述具有核壳结构的纳米硅碳中内核为晶体硅；外壳则为无定型态的碳，厚度为5～8nm。

按上述方案，所述具有核壳结构的纳米硅碳中内核硅的粒径为50-150nm；双碳结构修饰的碳硅复合负极材料粒径为3-4μm。

本发明的另一个目的是提供一种双碳结构修饰的碳硅复合负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

a)将50～150nm的纳米硅粉超声分散获得悬浮液；

b)将柠檬酸(CA)配制柠檬酸溶液中；

c)将步骤a)中形成的悬浮液缓慢的滴加进步骤b)形成的柠檬酸溶液中，高速搅拌后混合均匀，水浴搅拌直到所有溶剂都被蒸干；

d)将步骤(c)中得到的粉末放在惰性气氛下碳化形成第一级碳结构，研磨得到Si@C一级核壳硅碳材料；

e)配制聚丙烯腈(PAN)的二甲基甲酰胺(DMF)溶液；