[发明专利]一种二次包覆的硅碳复合材料、其制备方法以及使用该材料的电极和电化学装置

说明书

本公开涉及一种二次包覆的碳硅复合材料，其特征在于，该碳硅复合材料包括石墨颗粒，以及包覆在石墨颗粒上的碳硅层，其中，所述碳硅层是空心硅与碳形成的混合物层，在碳硅层中包含了一次包覆物颗粒，所述一次包覆物颗粒是指碳包覆在空心硅上而形成的颗粒。根据本发明的二次包覆的碳硅复合材料将空心硅/沥青交融物与石墨融为一体，克服了硅材料在循环中破碎的问题，并显著提高了硅碳负极材料导电性。此外，在电池充放电过程中，避免了硅材料与电解液的直接接触。而且，本发明采用的生产工艺只需要通过简单的加热和高速搅拌即可实现，适合规模化生产。

技术领域

本公开涉及一种碳硅复合材料。具体而言，本公开涉及一种通过两步包覆工艺合成的硅碳复合材料、其制备方法以及使用该材料的电极和电化学装置。

背景技术

随着电动汽车的发展和电子产品的小型化需求，人们不断的地研发新的电极材料。在锂离子电池新型负极材料中，硅负极具有最高的储锂比容量(4200mAh·g^-1)，是目前商业化石墨类负极材料的11倍，是下一代最有潜力的高容量负极材料。

但是硅作为锂离子电池负极材料，在充放电过程中存在严重的体积膨胀，导致材料粉化、电极结构破坏、SEI膜不稳定等问题。此外，Si属于半导体，本征电导率仅为6.7×10^-4S cm^-1，对硅负极材料的库伦效率和倍率性能有严重影响。

为了解决硅负极材料在充放电过程中体积膨胀的问题，可以通过将硅颗粒纳米化和设计特殊的结构进行解决，本发明采用了纳米级的空心结构硅作为研究对象。

但是，为了解决锂离子电池中硅负极材料导电性差的问题，采用具有优异导电性和机械性能的碳材料与硅形成复合材料，可以提高电极导电性、得到稳定的SEI膜、防止纳米硅颗粒的团聚、有效缓冲体积膨胀，从而可以大幅提高硅负极材料的库伦效率、循环寿命和倍率性能。本发明提出了采用二次包覆的工艺方法，先将纳米空心硅与沥青等碳源形成一次融合物，再将一次融合物包覆至石墨表面进行二次包覆，形成一个完成硅-碳-石墨颗粒。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种二次包覆的碳硅复合材料。

本公开的另一个目的是提供一种所述二次包覆的碳硅复合材料的制备方法。

本公开的另一个目的是提供一种使用所述二次包覆的碳硅复合材料制备的负极。

本公开的另一个目的是提供一种使用所述二次包覆的碳硅复合材料制备的电化学装置。

根据本公开的一个实施方式，其提供了一种二次包覆的碳硅复合材料，其特征在于，

该碳硅复合材料包括石墨颗粒，以及包覆在石墨颗粒上的碳硅层，

其中，所述碳硅层是空心硅与碳形成的混合物层，在碳硅层中包含了一次包覆物颗粒，所述一次包覆物颗粒是指碳包覆在空心硅上而形成的颗粒。

优选地，所述石墨颗粒的粒径在1-30μm之间；

所述一次包覆物颗粒的空心硅的空腔的粒径在10-50nm之间，该空心硅的粒径在30-100nm之间，且石墨外层包覆的硅碳层厚度在0.1-2μm之间。

所述碳硅复合材料中，碳与硅的重量比为97：3～80：20。

优选地，所述碳硅复合材料中，碳与硅的重量比为95：5。

所述碳硅复合材料的比表面积是2～2.5m²/g。

优选地，所述碳硅复合材料的比表面积是2.3m²/g。

根据本发明的另一个实施方式，其提供了一种二次包覆的碳硅复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：