[发明专利]一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法和应用。制备方法包括以下步骤：将预处理后的竹炭清洗、球磨后分散在水中，均匀后加入氯化金属盐搅拌一段时间后抽滤洗涤，烘干后在气氛保护下煅烧，得到改性活化竹炭前驱体；之后加入单质金属粉末，研磨混合均匀后煅烧，将所得粉末酸洗，烘干得锂离子电池硅碳复合负极材料。本发明所述方法能保留竹炭原有的碳骨架微观多孔结构，且生物态硅氧化物经过单质铝等金属还原得到的单质硅以及低价硅氧化物为锂离子电池负极材料能提供优秀的电化学容量。

技术领域

本发明属于电化学和新能源材料领域，具体涉及一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有容量密度大、工作电压高、无记忆效应、循环寿命长和无污染等优点，广泛应用于电子产品的各个领域。随着新能源电动汽车行业的兴起，人们对锂离子电池的高功率输出、长使用寿命和安全稳定性提出了更高的需求。目前商业化石墨负极材料，由于比容量小、比能量低及安全性问题，已难以满足新能源汽车等大功率电池行业日益增长的需求。

硅基材料因其超高储锂容量(4200mAh g^-1，比石墨化碳(372mAh g^-1)的容量高10倍多)被认为是最具有发展前景的锂离子动力电池负极材料之一。但该类材料目前研发的瓶颈在于导电性能不理想，尤其是充放电过程中因发生严重的体积变化(～300％)，导致活性材料粉碎脱落和电极结构的破坏，最终造成容量快速衰减而影响其使用寿命。很多研发者针对这个问题虽然提出了不同的解决思路，但目前传统制备硅基材料的方法如气相沉积法以及激光刻蚀法通常需要昂贵的原料如硅烷、且耗能高、设备和制备工艺要求也高，这在很大程度上限制了纳米硅的大规模制备和应用。因此，如何降低成本、提升硅基负极材料储锂性能依然是一个具有挑战性的研究课题。竹炭作为一种常见的生物质材料，本身具有独特的微观分级多孔结构，同时，竹子被誉为硅元素的“天然库”，其竹炭灰分中约含15％的二氧化硅，是硅源丰富的价廉生物质材料，可用于制备硅碳负极材料的原料。因此，寻求利用竹炭为硅碳源的原料制备高性能硅碳负极材料的简单高效制备方法及复合材料成分的优化具有重大意义。

发明内容

为克服现有技术中锂离子电池硅负极材料性能不足的缺陷，本发明的首要目的在于提供一种锂离子电池硅碳复合负极材料的制备方法。

本发明结合高能球磨和金属单质一步还原法制备SiOx/C硅碳复合负极材料，不仅通过高能球磨细化材料的颗粒尺寸，改善竹炭中碳材料的电化学活性，同时使得二氧化硅部分裸露出来，提高金属单质还原二氧化硅的还原效率，得到具有生物质竹炭特性结构的硅碳复合负极材料，这种方法比采用昂贵的硅原料制备硅碳复合材料更价廉简便。

本发明的另一目的在于提供一种由上述制备方法制得的锂离子电池硅碳复合负极材料。

本发明的另一目的在于提供上述锂离子电池硅碳复合负极材料的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种锂离子电池硅碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.称取一定量竹炭并研磨，酸洗，洗涤并烘干得清洗后竹炭粉末备用；

S2.将清洗后竹炭粉末球磨得到小颗粒竹炭粉末；

S3.取小颗粒竹炭粉末分散在水中，均匀后加入氯化金属盐搅拌一段时间后洗涤，烘干后在气氛保护下煅烧，得到改性活化竹炭前驱体；

S4.取改性活化竹炭前驱体，加入单质金属粉末，研磨混合均匀后放入反应釜在气氛保护下煅烧一段时间后取出，将粉末分散酸洗，洗涤并烘干得锂离子电池SiOx/C硅碳复合负极材料，即所述锂离子电池硅碳复合负极材料。