[发明专利]一种中间相碳微球/纳米级硅复合球体的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种中间相碳微球/纳米级硅复合球体的制备方法，包括：将纳米级硅粉进行表面改性，得到表面连接疏水官能团的纳米级硅粉；将表面连接氟基的纳米硅硅粉、含有中间相碳微球前驱体的四氢呋喃溶液分散在聚乙烯吡咯烷酮的水溶液中，得到混合溶液；加热混合溶液，中间相碳微球前驱体在水中层层自组装包覆纳米级的硅粉，离心烘干后得到中间相碳微球/纳米级硅复合球体。制备的中间相碳微球/纳米级硅复合球体的结构均匀、成球良好。本发明还提供一种中间相碳微球/纳米级硅复合球体在锂离子电池负极的应用，既能发挥硅的高容量，又用碳基体提高了体系的导电性，也利用外层碳微球的包覆作用缓解了硅的体积膨胀，防止了负极容量的衰减。

技术领域

本发明涉及硅碳复合材料的制备领域，具体涉及一种中间相碳微球/纳米级硅复合球体的制备方法及应用。

背景技术

碳是一种最常见的元素，以多种形式广泛存在于大气和地壳和生物之中，也被应用到人类生活的方方面面。而硅做为地壳中含量第二高的元素，并且其单质是一种优异的半导体材料，可以实现能源形势的转化，因而在开发能源上极具前途。如今硅不但作为芯片支撑起了信息行业的发展，也能制备为太阳能电池在能源利用上发挥巨大作用。

近十几年来，硅的锂电性能也逐渐被开发出来，同时科学技术的发展也对工业提出了更高的能量需求。而化石燃料的大量消耗，不但造成了不可再生能源的枯竭，也造成了环境的严重污染。研究者们也开始加紧对新的绿色可再生能源的研究。而锂离子电池由于其高电压、无污染、储量丰富也进入了人们的视线。但是目前商业化的锂离子电池容量较低，越来越不能满足人们的需求。因此，研究者们亟需寻找到合适的材料来改进现有的锂离子电池。

寻找容量更高的负极替代材料被认为是最有效的锂离子电池材料的改进方法。而硅材料被认为是最有希望替代石墨成为下一代锂离子电池的负极材料。作为电池负极，硅在电池中通过合金化过程形成Li-Si合金从而表现出超过4200mAh/g的理论容量。但是由于硅材料在脱嵌锂合金化的过程中会产生超过300 %的体积膨胀，极易造成以下问题：（1）巨大的体积膨胀伴随着的机械应力会作用于电极材料，使其结构遭到破坏，颗粒粉碎，最终造成容量的巨大衰减；（2）体积膨胀和机械应力会让活性材料与集流体失去电接触，导致活性材料从负极上脱落，不再进行电化学的充放电；（3）在硅负极表面会形成固态电解质界面（SEI）膜，而电极结构的破坏，新鲜表面的露出会使SEI膜不断的破坏与生成，不断的消耗电池中的锂离子并降低导电性，最终使得电池性能不断的降低。以上的问题严重制约了硅在锂离子电池中的应用。

为解决硅的体积膨胀和内应力问题，科学家们提出了许多的策略如硅的纳米化，硅纳米线/纳米管的多维结构等。而硅碳复合材料是其中最有可能实行商业化的办法。碳作为基体解决了半导体硅导电性不足的问题，让硅碳负极在高电流充放电下依然能保持较高的容量，并且碳的外包覆层作为保护层，一定程度上抑制并缓解了硅的体积膨胀，维持了体系的结构稳定性。同时稳定的碳曾表面会促进SEI膜的稳定，防止锂离子的过量消耗。特别是硅碳包覆型的球体材料，它不但保持了完整的、有规则的球形结构，保证了结构的均匀性，还将硅完整的包覆在了碳层中，保证了各个方向上都能抑制硅的体积膨胀，防止硅表面暴露在电解液中。

发明内容

本发明提供了一种中间相碳微球/纳米级硅复合球体的制备方法，制备的中间相碳微球/纳米级硅复合球体的结构均匀、成球良好；应用在锂离子电池负极，既能发挥硅的高容量，又用碳基体提高了体系的导电性，也利用外层碳微球的包覆作用缓解了硅的体积膨胀，防止了负极容量的衰减。

本发明提供如下技术方案：

一种中间相碳微球/纳米级硅复合球体的制备方法，包括以下步骤：

（1）将纳米级硅粉进行表面改性，得到表面连接疏水官能团的纳米级硅粉；

（2）将步骤（1）得到的表面连接氟基的纳米级硅粉、含有中间相碳微球前驱体的四氢呋喃溶液分散在聚乙烯吡咯烷酮的水溶液中，得到混合溶液；