[发明专利]硅碳材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种硅碳材料及其制备方法，涉及锂离子电池负极材料技术领域。该方法制备得到的硅碳材料为一种硅碳介孔核壳结构的复合材料，纳米硅和介孔碳作为基底，外层包覆有一层碳外壳，该结构可以充分发挥硅与碳的协同效应，使得本发明硅碳材料具有较高的电化学容量以及可吸收应力，进而提高该材料的导电性，同时特有的核壳结构也可以维持硅材料的稳定。此外，本发明硅碳材料可广泛应用于锂离子电池负极领域，具有制备方法简单，绿色环保，可适用于工业化大规模生产的优点。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，尤其是涉及一种硅碳材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长等特点使其成为汽车产业发展竞争的焦点。传统的商品化锂离子电池主要采用石墨类碳材料作为负极材料，然而，商业化的石墨负极材料理论比容量仅有372mAh/g，因此，研究开发高容量的锂电负极材料迫在眉睫。硅因其理论比容量高达4200mAh/g，远高于商业化石墨理论比容量(372mAh/g)，并且来源广泛、成本低廉、环境友好，所以一直备受科研人员关注，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。然而，硅在充放电过程中存在严重的体积膨胀(300～400％)，使其在充放电循环中承受很大的机械作用力并逐渐粉化坍塌，影响活性材料和集流体之间的连接，不利于电子传输；另一方面使得硅基材料与电解质之间形成的固体电解质界面膜膜逐渐增厚，不利于提高锂电池容量，造成锂电池的循环性能急剧下降。

因此，研发一种高容量、长循环寿命锂离子电池负极材料是目前行业内急待解决的技术难题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种硅碳材料的制备方法，所述硅碳材料制备方法具有操作简单，绿色环保，可适用于工业化大规模生产的优点。

本发明的第二目的在于提供一种硅碳材料，该硅碳材料采用上述制备方法制备得到，是一种以纳米硅和介孔碳作为基底，外层包覆有一层碳外壳的硅碳介孔核壳结构的复合材料，该结构可以充分发挥硅与碳的协同效应，使得本发明硅碳材料应用与锂离子电池负极材料具有较高的电化学容量以及可吸收应力，进而提高负极材料的导电性，具有纳米硅分散良好、电化学性能优良的特点。

本发明提供的一种硅碳材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

首先，将有机盐溶解于溶剂中，制得介孔碳前驱体溶液，随后将纳米硅加入到前驱体溶液中混匀，并通过干燥后烧结的方法得到纳米硅和介孔碳的复合材料；然后，再次通过干燥后烧结的方法在纳米硅和介孔碳的复合材料上包覆一层碳外壳，制得硅碳材料。

进一步的，所述有机盐的负离子为乙酸根、丙酸根、乙二酸根、丙二酸根、丁二酸根、柠檬酸根、苯甲酸、邻苯二甲酸、乳酸、甘氨酸根、水杨酸根的一种或多种组合；

所述有机盐的正离子为铜离子、铁离子、锰离子、钴离子、钙离子、锡离子、镍离子、镁离子、钛离子、铝离子、锌离子中的一种或多种组合。

进一步的，所述溶解有机盐的溶剂为水、乙醇、N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙二醇中的一种或多种组合；

优选的，所述溶剂与有机盐的质量比为(1～100):1；

更优选的，所述有机盐溶解于溶剂在加热搅拌的条件下进行，所述加热温度为20～150℃；所述搅拌速度为100～2200r/min。

进一步的，所述纳米硅的粒径为10～400纳米；

优选的，所述纳米硅与有机盐的质量比为0.1～15：1；

更优选的，所述纳米硅与有机盐的混合方法为球磨、搅拌、超声分散中的一种或其组合。

进一步的，所述干燥后烧结为在保护性气体条件下烧结；