[发明专利]锂离子电池用层状硅/碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种锂离子电池用层状硅/碳复合材料的制备方法,以硅纳米颗粒和碳材料为原料，采用超声分散法及真空抽滤法，其特征是利用超声分散法，控制硅纳米颗粒和碳材料的比例，将硅纳米颗粒和碳材料均匀分散到溶剂中，得到硅/碳分散液；再将上述硅/碳分散液经过真空抽滤系统抽滤处理，得到硅/碳层状材料前驱体；然后进行碳化、活化反应，得到具有层状硅/碳复合材料。使用该配方和工艺制造的层状硅/碳复合材料，充分利用了层状碳材料的保护作用，将生长在高膨胀硅材料表面的SEI层转移形成到相对低膨胀的层状碳材料表面，减少硅材料充放电过程中的体积膨胀对SEI层的破坏，从而提高锂离子电池中硅负极的稳定性及良好的充放电速率、容量保持率和循环寿命。

技术领域：

本发明涉及一种锂离子电池用的负极材料及其制备方法，具体涉及一种用于高容量、高稳定性锂离子电池负极，特别是具有层状多孔特殊结构，性能稳定的一种锂离子电池用层状硅/碳复合材料及其制备方法。

背景技术:

在锂离子电池发展的三十年间，能量密度随着材料的不断发展而不断提高。目前商业化的锂离子电池负极材料主要是天然石墨、人造石墨、中间相炭球等碳材料，其实际容量已经接近其理论容量的极限（372 mAh/g）。碳材料已经无法满足更高比容量锂离子电池的需求，因此亟需开发新的高比容量负极材料代替碳材料。硅材料在所有已知锂离子电池负极材料中有着最高的比容量，理论比容量可以达到4200 mAh/g，而且硅储量丰富，来源广泛，价格便宜，因而备受业界关注。但是硅负极材料在锂离子脱/嵌过程中的体积膨胀变化可以达到100%~300%，硅材料表面的SEI界面会因为硅体积的巨大变化而不断发生破碎、重新形成的过程，造成硅材料的可逆容量急剧减小，电池的电解液消耗过快，充放电倍率性能劣化，循环性能很差。

业界普遍采用纳米化的方法来缓解硅材料的体积膨胀问题。纳米化的硅材料能够降低脱/嵌锂过程中体积膨胀，一定程度上提高首次容量和首次充放电效率。但是，纳米硅材料比表面积大，缺陷密度高，更容易发生团聚而影响使用。为了解决这个问题，研究人员尝试将结构稳定且电导率高的碳材料用于改善纳米硅材料的表面。在硅/碳复合材料中，硅用于发挥高容量的储锂作用；碳可以有效提高电导率，并缓冲硅颗粒在循环过程中的体积变化，提高硅材料的循环寿命。但是目前已有的硅/碳复合材料，绝大多数是将硅颗粒与碳简单地混合，或者将碳包覆在纳米硅颗粒表面。上述硅/碳材料在充放电过程时，电解质中的溶剂仍然可以接触到硅材料而在硅表面形成不稳定的SEI界面，并随着充放电的进行不断破坏和重新形成，这正是现有纳米化的硅/碳复合材料容量保持率低的主要原因。

因此，如何来提供一种既可提高硅材料的循环寿命，同时充分利用层状碳材料的保护作用，将生长在高膨胀硅材料表面的SEI层，转移形成到相对低膨胀的层状碳材料表面，减少硅材料充放电过程中的体积膨胀对SEI层的破坏，从而提高锂离子电池中硅负极的稳定性。使用锂离子电池用层状硅/碳复合材料制造的电池能够表现出良好的充放电速率、容量保持率及循环寿命。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种锂离子电池用层状硅/碳复合材料的制备方法；使用该配方和工艺制造的层状硅/碳复合材料，充分利用了层状碳材料的保护作用，将生长在高膨胀硅材料表面的SEI层转移形成到相对低膨胀的层状碳材料表面，减少硅材料充放电过程中的体积膨胀对SEI层的破坏，从而提高锂离子电池中硅负极的稳定性及良好的充放电速率、容量保持率和循环寿命。

本发明的目的是要提供一种锂离子电池用层状硅/碳复合材料的制备方法，以硅纳米颗粒和碳材料为原料，采用超声分散法及真空抽滤法，其特征是利用超声分散法，控制硅纳米颗粒和碳材料的比例，将硅纳米颗粒和碳材料均匀分散到溶剂中，得到硅/碳分散液；再将上述硅/碳分散液经过真空抽滤系统抽滤处理，得到硅/碳层状材料前驱体；然后进行碳化、活化反应，得到具有层状硅/碳复合材料。

本发明所述一种锂离子电池用层状硅/碳复合材料的制备方法，其包括如下方法步骤：