[发明专利]一种多孔硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，尤其涉及一种多孔硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池，该多孔硅碳负极材料包括多孔硅碳材料和石墨材料；所述多孔硅碳材料为核壳式三层复合结构，包括内核和依次包覆于内核的中间层及最外层，所述内核为非晶态多孔硅氧材料SiO_x，所述中间层为网状导电剂包覆层，所述最外层为无定形碳包覆层。相比于现有技术，本发明通过核壳式三层复合结构设计，使得该多孔硅碳材料的体积膨胀大大降低、首次效率和循环性能得到显著提升；而与石墨材料混合后，该多孔硅碳负极材料首次可逆比容量≥487.8mAh/g，首次效率≥87.86％，循环500次容量保持率≥94.6％，体积膨胀率≤19.51％。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，尤其涉及一种多孔硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

锂离子电池因具有能量密度高、安全性能好、循环性能佳、无记忆效应、工作电压高、环境友好、自放电小等优点而被广泛应用于各个领域中。随着国家财政部公布发布了《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》，要求锂离子电池具有更高的能量密度，而锂离子电池能量密度大小主要受到正负极活性材料的影响，目前商业化应用的负极活性材料主要是人造石墨，但其目前的实际比容量已经接近其理论比容量372mAh/g，难以再有提升空间，而锂离子电池对能量密度的要求却越来越高，开发新的高能量密度材料迫在眉睫。

硅材料因具有极高的理论比容量(4200mAh/g)和丰富的资源以及较低的脱锂电位(＜0.5V)，将是替代石墨的有效材料之一。然而，在锂离子的嵌入和脱出过程中硅材料存在着巨大的体积变化，以及较低的首次效率和极差的循环性能，难以实现实际的生产应用。

针对以上难题，目前已出现不少关于硅基材料的改性方法，例如三维的多孔Si颗粒、核壳晶/非晶Si纳米线、Si-金属氧化物复合、Si-碳核壳结构以及石墨烯作为缓冲等。上述方案虽然对硅基材料的膨胀有一定的改善，但改性方式较为单一，效果不明显，依然存在着制备困难、电接触较差、成本高昂等问题，且与石墨材料相比，其首次效率、循环性能、体积膨胀率仍有较大的差距，有待进一步的提升。

授权公告号为CN 102903896B的中国发明专利公开了一种用于锂离子电池的硅碳复合负极材料、其制备方法和应用，该负极材料为核壳结构，包括核体和依次包覆于核体的中间层及最外层，所述核体为纳米硅，所述中间层为无定型碳，所述最外层为一维纳米碳材料，但是该硅碳复合负极材料的膨胀率较高，致使其导电率、循环性能等仍有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种多孔硅碳负极材料，以解决现有硅基负极材料首次效率低、体积膨胀大、循环性能差的问题。

本发明的目的之二在于：提供一种多孔硅碳负极材料的制备方法。

本发明的目的之三在于：提供一种锂离子电池。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多孔硅碳负极材料，包括多孔硅碳材料和石墨材料；所述多孔硅碳材料为核壳结构，包括内核和依次包覆于内核的中间层及最外层，所述内核为非晶态多孔硅氧材料SiO_x，其中，0＜x≤2，所述中间层为网状导电剂包覆层，所述最外层为无定形碳包覆层。

优选地，所述多孔硅氧材料SiO_x的孔隙率为20～80％，更优选为40～80％。该孔隙范围内能够有效控制SiO_x体积膨胀，让其膨胀利用自身的孔隙填充。若孔隙率过低，则无法有效控制SiO_x体积膨胀；若孔隙率过高，则会影响SiO_x的结构稳定性。

优选地，所述多孔硅氧材料SiO_x的中值粒径D₅₀为3～7μm。