[发明专利]一种碳包覆硅纳米片和硅基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳包覆硅纳米片制备方法及碳包覆硅纳米片，通过将0.1‑1g碳源加入5‑20mL水中搅拌并超声分散10‑30min；加入0.1‑1g D50粒径10‑500nm的硅粉超声分散10‑30min；100‑200℃水热反应10‑24h后离心、真空干燥得碳包覆硅纳米片。该碳包覆硅纳米片由硅纳米片及包覆在周围的碳层组成。本发明公开了用上述碳包覆硅纳米片制备的硅基复合材料及制备方法，通过将碳包覆硅纳米片、碳材料、碳源按质量比5‑12％:78‑85％:10％混合球磨，以3‑10℃/min升温至500‑1000℃煅烧5‑12h得硅基复合材料。该硅基复合材料包括碳包覆硅纳米片、碳材料和包覆碳层。本发明的碳包覆硅纳米片和硅基复合材料的碳包覆层缓冲了硅的体积膨胀，增强了导电性，硅基复合材料的双包覆碳层进一步抑制硅的膨胀，提高了首次充放电效率和循环容量保持率。

技术领域

本发明涉及一种碳包覆硅纳米片的制备方法及碳包覆硅纳米片，还涉及一种硅基复合材料的制备方法及硅基复合材料。

背景技术

锂离子电池因其无记忆效应、能量密度高以及自放电率低等优点使其在工业领域迅猛发展。随着其在便携式设备和动力汽车中的应用，人们对于锂离子电池的负极材料提出了更高的要求。目前石墨是最常用的锂离子电池负极材料，其具有价格低廉、资源丰富、和良好的动力学等优点。然而，其对锂电压低于0.2V(vs.Li/Li+)，尤其在高倍率下，这一电压接近锂的析出电位会产生锂枝晶，造成很大的安全性问题。此外，其理论比容量只有372mAh/g，已经无法满足各类消费类电子设备，尤其是储能设备和电动汽车对能量密度的要求。因此，研究和开发新的负极材料成为锂离子电池研究领域热点。

硅基材料理论比容量为4200mAh/g，是比容量最高的材料之一，硅来源丰富，价廉易得，这使得硅成为最为热门的下一代锂离子电池负极材料之一。但是硅有个明显的缺点，在循环过程中体积膨胀变化巨大，导致电极粉化，甚至从集流体上剥离，从而使容量迅速衰减。目前研究者通过多种途径对硅进行改进，包括将硅纳米化、合金化以及与其他材料复合等等。这些方法在一定程度上改善了硅材料和硅复合材料的循环性能，但是容量衰减依然明显，改性后的循环性能差。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种首次充放电效率高、循环性能良好的锂离子硅基负极材料。

为了解决上述技术问题，本发明的基本构思是：在硅的表面包覆碳层，利用包覆的碳层缓冲硅的体积膨胀；同时硅使用片状结构，使硅片在纵向方向的体积膨胀也能得到缓冲，从而提高硅负极材料的首次充放电效率和循环容量保持率，进而提高其循环性能。

作为实现本发明的第一个方案，本发明提供了一种首次充放电效率高、循环容量保持率高的锂离子电池碳包覆硅纳米片负极材料的制备方法及使用该方法制备的碳包覆硅纳米片。

本发明提供的一种碳包覆硅纳米片的制备方法包括以下步骤：

步骤一：将0.1-1g碳源加入5-20mL水中，搅拌并超声分散10-30min；加入0.1-1gD50粒径为10-500nm的硅粉，超声分散10-30min；

步骤二：将步骤一所得混合物在密闭容器中进行水热反应，反应温度100-200℃，反应时间为10-24小时；

步骤三：将水热反应产物离心处理，所得固体物质在40℃-80℃真空干燥；

步骤四：将干燥后的固体研磨、煅烧，煅烧时升温速度为3-10℃/min，煅烧温度为500-1000℃，煅烧时间为5-12小时，即得到碳包覆硅纳米片。

优选地，所述碳源为蔗糖、葡萄糖、沥青、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺中的一种或几种。

优选地，所述煅烧温度为750-800℃。

本发明提供一种碳包覆硅纳米片，所述碳包覆硅纳米片是由硅纳米片及包覆在其周围的碳层组成。