[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明涉及电化学及锂离子电池负极材料领域，公开了一种硅碳复合材料及其制备方法和锂离子电池。该硅碳复合材料包括基体材料、负载于所述基体材料表面上的纳米硅以及包覆于外层的包覆碳层，其中，所述包覆碳层包括无定型碳层和分散于所述无定型碳层中的导电剂。本发明所述的硅碳复合材料用作锂离子电池的负极活性材料，所制作的锂电子电池具有良好的首次效率以及循环稳定性，表现出明显较好的综合性能。

技术领域

本发明涉及电化学及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

在市场不断进化，终端企业对锂离子电池能量密度要求不断提高的情况下，现市场主要应用的石墨类负极材料(理论比容量只有372mAh/g)对于锂离子电池能量密度的提升已达瓶颈，再想提升其空间已很难实现。硅和锂可以形成Li1₂Si₇、Li₇Si₃、Li1₃Si₄和Li₂₂Si₅合金，理论比容量高达4200mAh/g，且其放电电压较低，被认为是最有潜力的石墨负极替代材料之一。

然而硅基负极材料在充放电过程中伴随着巨大的体积膨胀(～420％)，使得硅基负极材料在使用过程中容易粉化，导致循环稳定性较差；在反复地充放电过程中，材料不断地收缩与膨胀，使得活性物质容易从集流体脱落且活性物质与导电剂粘接剂等接触差；更进一步会导致负极材料表面的SEI膜不断地消耗与形成，形成较厚且不均匀的SEI膜，反复的消耗锂离子。除此之外，硅作为一种半导体，存在着导电性不足这一问题。

通过将硅材料纳米化、多孔化、掺杂改性以及包覆处理等可有效解决硅的体积膨胀问题。目前，产业化技术方案主要采用纳米硅颗粒与碳基材料复合。Liu等研究发现，当硅粒子粒径降至150nm时，可有效减少体积膨胀问题(ACS Nano 2012，6，1522-1531)；将纳米硅与碳基材料复合，以石墨为内核，提供可逆容量的同时，保持材料良好的内部接触，保证材料的导电性，同时为硅的体积膨胀提供缓冲空间；再在硅和石墨的表面增加碳包覆层，避免硅与电解液直接接触，同时有利于形成稳定的SEI膜，两者结合，有效提高材料稳定性。

当前采用的包覆碳源主要包括酚醛树脂、PVA、柠檬酸、硬脂酸、葡萄糖、蔗糖、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚偏氯乙烯、丙烯酸酯或聚丙烯腈等，其在煅烧过程中形成无定型碳，作为包覆碳层隔绝硅粒子与外界电解液，提高材料稳定性。无定型碳在包覆过程中存在包覆不完整、导电性不足的缺点，容易导致大的欧姆极化，降低材料的电化学性能。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的无定型碳在包覆过程中存在包覆不完整、导电性不足的缺点，提供一种硅碳复合材料及其制备方法和锂离子电池。

为了实现上述目的，本发明提供一种硅碳复合材料，该硅碳复合材料包括基体材料、负载于所述基体材料表面上的纳米硅以及包覆于外层的包覆碳层，其中，所述包覆碳层包括无定型碳层和分散于所述无定型碳层中的导电剂。

本发明还提供一种硅碳复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将基体材料加入到纳米硅的乙醇混合物中，均匀分散，得到混合液；

(2)将混合液进行喷雾干燥，得到前驱体；

(3)将前驱体、碳源以及导电剂混合，然后在氮气保护下进行一次煅烧；

(4)将步骤(3)得到的一次烧结材料粉碎，然后再与碳源以及导电剂混合，在氮气保护下进行二次煅烧，然后进行粉碎，并将粉碎后的粉碎物与石墨混合。

本发明还提供上述的方法制备的硅碳复合材料。

本发明还提供一种锂离子电池，所述锂离子电池中的负极活性材料为所述的硅碳复合材料。