[发明专利]一种硅碳材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种硅碳材料的制备方法，包括以下步骤：a)将含有硅合金粉的原料制成纳米颗粒；b)在所述纳米颗粒的表面包覆碳层，得到碳包覆的材料；c)去除所述碳包覆的材料中的硅合金中的非硅元素，得到所述硅碳材料。由于团聚最终得到具有一定结构空隙的微米硅碳材料。通过控制原料合金中硅的含量，可以精确调控所得多孔硅碳材料中的空隙占比，从而设计得到合理的多孔结构的硅碳材料。该具有多孔结构的微米硅碳材料可以作为锂离子电池负极。电化学测试显示出该材料具有高的比容量和优异的循环稳定性。本发明所制备硅碳材料具有制备简单、经济等优点，可用于高容量锂离子电池的大规模生产。

技术领域

本发明属于电池技术领域，涉及一种长寿命、高容量、高稳定性的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法和用途。

背景技术

可充电式电池已经广泛地应用于各种电子设备。目前，商业化的锂离子电池在市场上占据主导地位。但是，由于电动汽车及大规模储电的发展，目前商业化锂离子电池负极为石墨类材料(理论比容量为372mAh/g)，已无法满足发展需求，开发一种高比容量负极材料成为各国研究热点。Si、Sn等材料可以和锂发生合金化反应，比容量较高。其中Si与Li在常温下发生合金化反应生成Li_3.75Si，理论比容量高达3579mAh/g。但是Si在合金化反应时会发生严重的体积膨胀，生成Li_3.75Si时体积膨胀高达270％。充放电过程中硅的膨胀收缩会导致连续产生SEI，并且使硅颗粒粉化，从集流体上脱落，导致电池性能急剧衰减。针对此类问题，研究者已经提出很多解决方法，比如制备硅纳米线，硅碳核壳结构，纳米硅管等。但是这类材料的制备方法过于复杂，成本很高，无法大规模批量生产。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种硅碳材料的制备方法，该方法制备简单，经济廉价。所得的硅碳材料作为锂离子电池负极，具有高比容量和优异循环稳定性等优点，可用于大规模生产。

所述硅碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)将含有硅合金粉的原料制成纳米颗粒；

b)在所述纳米颗粒的表面包覆碳层，得到碳包覆的材料；

c)去除所述碳包覆的材料中的硅合金中的非硅元素，得到所述硅碳材料。

作为一种实施方式，所述硅碳材料的制备方法包括以下步骤：

以硅合金粉为原料，通过调控合金中硅的含量(为购买不同硅含量的合金)，包覆碳层，无机酸腐蚀去除合金中非硅元素，得到具有多孔结构的微米硅碳材料。以硅合金(铝硅、铁硅、镁硅合金等)为原料，通过机械砂磨使硅合金颗粒尺寸达到纳米级别；随后通过有机物包覆后高温碳化得到均匀碳层，再使用无机酸腐蚀去除合金中非硅元素，得到碳包覆的硅颗粒和空心碳球的混合物。由于团聚最终得到具有一定结构空隙的微米硅碳材料。通过控制原料合金中硅的含量，可以精确调控所得多孔硅碳材料中的空隙占比，从而设计得到合理的多孔结构的硅碳材料。该具有多孔结构的微米硅碳材料可以作为锂离子电池负极。电化学测试显示出该材料具有高的比容量和优异的循环稳定性。本发明所制备硅碳材料具有制备简单、经济等优点，可用于高容量锂离子电池的大规模生产。

作为一种实施方式，本发明提供了一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，该方法以微米硅合金粉为原料，通过砂磨使颗粒达到纳米化，再通过有机物包覆后高温碳化得到碳层，最后使用无机酸腐蚀去除非硅元素，得到具有一定空隙的硅碳复合材料。

可选地，步骤a)中，所述含有硅合金的原料选自铝硅、铁硅、镁硅合金中的至少一种。

可选地，步骤a)中，所述含有硅合金粉的原料中的硅合金粉中硅含量为1～99wt％。

可选地，所述含有硅合金粉的原料为硅铝合金粉。

可选地，步骤a)中，所述含有硅合金粉的原料中的硅合金粉的颗粒的尺寸为0.01μm～100μm。