[发明专利]一种硅碳负极材料及包覆制备方法

说明书

本发明涉及一种硅碳负极材料及包覆制备方法，属于锂离子电池技术领域。该材料由电解制备的硅碳复合颗粒以及从内到外包覆在其上的无定型碳包覆层和碳纳米管组成，其中硅含量为10‑40wt％，无定型炭的含量为1‑35wt％，碳纳米管的含量为0.1‑5wt％。采用熔盐电解硅碳复合材料为原料，通过造粒和包覆工艺形成类球状负极颗粒。本发明硅碳复合负极材料循环性能好、倍率充放电性能和安全性能优异，其首次可逆比容量达800mAh/g以上，循环50周容量保持率为90％以上，合成方法易控制、成本低廉、环境友好。

技术领域

本发明涉及一种硅碳负极材料及包覆制备方法，具体涉及一种锂离子电池硅碳复合负极材料、它的制备方法及采用该硅碳复合负极材料的电池，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

锂离子电池因具有工作电压高、循环使用寿命长、无记忆效应、自放电小、环境友好等优点，已被广泛应用于便携式电子产品和电动汽车中。目前，商业化的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，但它的理论比容量为372mAh/g，而现有技术开发的石墨类负极材料所具有的比容量已接近其理论值，所以石墨类负极材料开发潜能有限，已难于满足目前各种便携式电子设备的小型化发展和电动汽车对高比能量及高功率密度锂离子电池的广泛需求。

由于具有较高的储理容量(理论比容量4200mAh/g)和丰富的资源，硅材料被认为是开发新一代高比能量及高功率密度的锂离子电池负极材料的理想候选材料之一。因为硅在循环过程中体积变化较大(300％)，导致其循环性能较差，且硅材料的导电性较差，这些都不利于其在电池中的应用。目前常见的制备硅负极材料的方法有将硅嵌入到优良导电性的缓冲介质中，将硅纳米化和合金化。这些方法都能在一定程度上抑制硅在脱嵌锂过程中的体积膨胀，从而提高其循环性能。

中国发明专利CN103107315A公开了一种纳米硅碳复合材料及其制备方法，其要点在于通过熔盐电解方法将二氧化硅还原形成碳载纳米硅的硅碳复合材料，其中硅与炭之间通过纳米碳化硅连接，是一种冶金级的结合。但这种材料因为碳化硅的存在导致导电性较差，且纳米硅裸露在电解液中，导致材料在循环过程中硅不断消耗锂，导致循环性能降低。

中国发明专利CN102394287A公开了一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法，其要点在于将研磨制备的纳米硅浆料用循环式干燥制粉设备干燥造粒，然后在颗粒表面沉积碳纳米管和/或碳纳米纤维形成核，在核的表面包覆有机裂解碳层。纳米硅干燥造粒后形成的二次颗粒尺寸在微米级，纳米硅颗粒间有微量的裂解碳，有益于改善材料在循环过程中粉化速度和容量保持率。但是纳米硅在造粒后已形成微米级二次颗粒，纳米硅颗粒之间无很好的缓冲体积膨胀的基体，在循环过程中，材料的绝对膨胀尺寸仍很大，在数次循环之后，材料仍会较快出现粉化，导致容量衰减。

中国发明专利CN103474667A公开了一种锂离子电池用硅碳复合负极材料及其制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米硅和石墨混合得到核壳结构的纳米硅/石墨颗粒；(2)将步骤(1)得到的纳米硅/石墨颗粒与催化剂前驱体混合，然后采用化学气相沉积法包覆有机碳源，得到碳纳米管和/或无定形碳包覆的硅/石墨材料；(3)将步骤(2)得到的碳纳米管或碳纳米管和无定形碳包覆的硅/石墨材料进行液相包覆有机碳源，得到硅碳复合负极材料。因为其硅碳复合采用喷雾干燥的方法，硅碳之间的物理结合力较弱，会在多次循环后脱离，从而降低容量。并且在制备过程中采用了大量有机溶剂，成本较高，且环境不友好。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种硅碳复合负极材料，该硅碳复合负极材料在锂离子电池负极材料具有优异的加工性能、循环性能、倍率性能，在极片制备过程中添加较少的导电剂，能够有效提高电池的能量密度，能够很好的作为锂离子电池材料应用。

一种硅碳复合负极材料，由电解制备的硅碳复合颗粒以及从内到外包覆在其上的无定型碳包覆层和碳纳米管组成；其中，硅含量为10-40wt％，无定型炭的含量为1-35wt％，碳纳米管的含量为0.1-5wt％，其余为硅碳复合颗粒中碳的含量。