[发明专利]一种富硅SiOx-C材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种富硅SiO_x‑C材料的制备方法，以SiO为原材料，通过刻蚀SiO歧化反应生成的组成为SiO₂@SiO@Si的SiO_x获得多孔硅基材料，然后通过CVD（化学气相沉积）法在多孔硅基材料的孔结构中沉积Si，从而获得富硅的SiO_x材料，并进一步通过CVD沉积形成的碳包覆层。通过本发明的制备方法制备的富硅SiO_x‑C材料的克容量及首次库伦效率均高于商业化的SiO，循环稳定性相对较好，克服了SiO材料首效较低的缺陷。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种富硅SiO_x-C材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着锂离子电池在电动工具、电动/混动汽车、储能电站等大功率设备应用上的不断拓展，传统石墨负极（比容量372mAh/g）已经很难满足人类对高能量密度电池的需求，因此寻找可以替代石墨的下一代锂离子电池阳极材料成为目前锂离子电池相关研究的热点之一。硅材料的理论比容量为4200mAh/g，资源丰富，不会与电解液发生溶剂共嵌入现象，同时嵌锂电位较高，更加安全。然而硅阳极材料在充放电过程中会经历高达300%的体积变化，如此高的体积膨胀收缩，易导致电极材料粉碎，与集流体、电极导电网络脱离接触，同时体积变化带来新表面的产生，需要形成新的固体-电解质界面（SEI）从而导致对电解液的大量消耗，进而导致循环寿命的大幅度降低。另一方面，硅的电导率、锂离子扩散速度均低于石墨，这将限制硅在大电流大功率条件下的性能表现。

由于上述问题，学术界与产业界将部分注意力转移到氧化亚硅上。与纳米硅相比，氧化亚硅虽然牺牲了部分容量，但其膨胀相对较小，并且在充放电过程中生成的副产物氧化锂、硅酸锂、偏硅酸锂等可以提供缓冲作用，极大地提高材料的循环性能。但是材料的导电性相对较差，首效较低。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种富硅SiO_x-C材料的制备方法，综合Si和SiO的优缺点，以SiO为原材料，通过刻蚀SiO歧化反应生成的组成为SiO₂@SiO@Si 的SiO_x，获得多孔硅基材料，然后通过CVD（化学气相沉积）法在多孔硅基材料的孔结构中沉积Si，从而获得富硅的SiO_x材料，由于是通过歧化反应生成的硅和CVD沉积的硅，因此硅晶粒较小，粒径约为3nm~20nm，此外通过CVD沉积形成的碳包覆层可以提高材料的电子导电率。通过本发明的制备方法制备的富硅SiO_x-C材料的克容量及首次库伦效率均高于商业化的SiO，循环稳定性相对较好，克服了SiO材料首效较低的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种富硅SiO_x-C材料的制备方法，包括以下步骤：

a、将SiO置于惰性气氛中歧化反应得到组成为SiO₂@SiO@Si的SiO_x；

b、将步骤a中的SiO_x刻蚀后制得多孔硅基材料；

c、加入硅源气体，通过化学气相沉积法在所述多孔硅基材料的内部沉积硅，得到富硅SiO_x材料；这里的化学气相沉积法的反应装置不做具体限定，优选的为回转炉，本发明在具体实施方式中均采用回转炉;

d、将所述硅源气体更换为碳源气体再通过化学气相沉积法在所述富硅SiO_x材料的孔结构及表面形成碳包覆层，制得富硅SiO_x-C材料;