[发明专利]硅碳复合材料、锂离子电池及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅碳复合材料、锂离子电池及制备方法和应用。该制备方法包括下述步骤：(1)将添加剂、物质A和纳米硅浆料的混合液和物质B混合，经固化反应，得树脂固化物；物质A为液态树脂或液态树脂的单体A；当物质A为液态树脂时，物质B为固化剂；当物质A为液态树脂的单体A时，物质B为液态树脂的单体B，物质A和物质B经固化反应制得固化的树脂；(2)将步骤(1)中所述树脂固化物经预碳化处理、碳化处理和包覆处理后，即得。本发明制得的硅碳复合负极材料用作电池负极时电池的首次可逆容量较高、首次库伦效率较高和循环性能佳，电化学性能优良，产品稳定性和一致性高，能够满足高性能锂离子电池对负极材料充放电性能的要求。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及硅碳复合材料、锂离子电池及制备方法和应用。

背景技术

随着电子电器、空间技术、国防装备以及新能源汽车向高能量密度和长寿性方向发展，现有锂离子电池的性能越来越难以满足当前的高标准要求。负极材料作为锂离子电池中至关重要的一部分，其能量密度和循环寿命对电池的整体性能影响深远。目前，生产使用的锂离子电池负极主要采用石墨材料，石墨负极材料为层状结构，可以储存一定的锂离子，但理论储锂容量只有372mAh/g，显然不能满足日益增长的市场需求。因此，新型高性能负极材料的开发已成当务之急。

相比而言，硅基材料因为其高的理论容量和较低的储锂电位而引起广泛的研究兴趣，但是硅基材料也存在明显的缺点，一是循环过程中体积膨胀大，导致活性材料粉化从集流体上脱落，容量衰减迅速；二是硅本身是半导体材料，导电性差，这些缺点一定程度上限制了硅材料的发展。针对硅的体积膨胀，将硅与具有弹性且性能稳定的基体复合是提高硅类材料稳定性的有效途径。一方面为硅的体积膨胀提供了缓冲空间，一方面促进了硅与锂之间的电荷传递反应，提高了整体材料的导电性。虽然碳材料的充放电比容量较低，难以满足电动车及混合电动车对电池高容量化的要求，但碳类材料具有相对弹性的结构，是良好的锂离子载体和电子导体，因此通过Si、C间的优势互补，制备性能优异的硅碳复合材料从而达到目前电池设计和实际应用的要求。

专利文献CN103022448A公开了一种硅碳负极材料的制备方法，该方法是先将硅粉分散于溶剂中进行湿法球磨，然后加入天然石墨继续球磨得到所述硅碳材料，由于该方法中硅粉是沉积于天然石墨基体表层，属于简单的物理接触复合，没有形成稳定的化学界面，因此硅基材料的膨胀问题依然存在，电池循环稳定性也达不到要求。

专利文献CN103633295A公开了一种硅碳复合材料的制备方法，该方法是将硅粉和氧化亚硅粉混合均匀后，再与含有有机碳源分散剂的溶液混合进行湿法球磨，然后将所得浆料、石墨基体和导电剂混合均匀后通过喷雾干燥得到球状颗粒，最后采用沥青对所得球状颗粒进行包覆和碳化得到最终材料。该方法一定程度上改善了材料的循环稳定性，但是首次可逆容量和效率较低，此外过于复杂的工艺路线增加了生产成本，不利于工业化生产，产品一致性也难以保证。

专利文献CN106532009A公开了一种高容量锂离子电池硬炭复合负极材料的制备方法，该方法通过将有机高分子、硅氧化物与交联剂反应，使有机高分子能够固化并均匀包裹在硅氧化物填料上，有效抑制和减小了硅氧化物的嵌锂膨胀效应，但是该方法制得的材料的放电容量最高仅为848mAh/g，相比于硅的理论容量(4200mAh/g)仍有大幅可提升的空间。

因此，如何进一步提升硅碳复合材料的首次可逆容量、首次库伦效率和循环性能成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术硅碳负极材料首次可逆容量较低、首次库伦效率较低和循环性能差的缺陷，而提供了一种硅碳复合材料、锂离子电池及其制备方法、应用。本发明的硅碳复合材料用作电池负极时电池的首次可逆容量较高、首次库伦效率较高和循环性能佳，制备工艺简单、高效，适宜工业化大生产。