[发明专利]硅碳复合材料及其制备方法、负极以及电池

说明书

本发明提供了一种硅碳复合材料及其制备方法、负极以及电池，设计储能材料技术领域，该硅碳复合材料包括：硅纳米颗粒；金属层，所述金属层包覆于所述硅纳米颗粒表面；碳材料层，所述碳材料层包覆于所述金属层表面。在该硅碳复合材料中，硅纳米颗粒表面的金属层可以提供更多的金属/硅接触界面，增加了电子传导路径，同时金属层和碳材料层为硅的体积膨胀提供了强大应力支撑，增加了硅材料的开裂阻力，从而降低了硅和电解液直接接触的可能性，提升了材料循环性能。

技术领域

本发明涉及储能材料领域，尤其是涉及一种硅碳复合材料及其制备方法、负极以及电池。

背景技术

随着便携电子设备和电动汽车的快速发展，人们对高能量密度和长循环寿命的能量存储系统产生了极大的需求。锂离子电池是二次电池中具有最高能量密度的，使其成为商业应用中理想的清洁能源。负极材料是提高锂离子电池能量及循环寿命的重要因素。

在现有的锂离子电池负极材料中，硅具有最高的理论比容量(4200mAh g^-1)和较低的放电平台(0.4V vs.Li/Li⁺)；作为地壳中储量仅次于氧的元素，硅在工业界的年产量巨大，被认为是最有希望取代石墨的下一代锂离子电池负极材料。然而，硅也有两个显著的缺点限制了硅负极材料的商业化应用。首先，硅负极材料在嵌锂和脱锂过程发生巨大的体积变化，膨胀可达300％，产生巨大的内部张力，使得电极材料发生严重的粉化，形成不稳定的固体电解质界面膜(SEI)，电化学性能受到严重的影响，循环可逆性差，库伦效率低。不稳定的SEI在嵌锂和脱锂的过程中破坏，使得电极材料与电解液直接接触，大量消耗锂离子，重复形成SEI，导致容量快速衰减，尤其在全电池系统中。硅材料体积变化产生的巨大应力还容易导致活性物质和导电剂的脱离，极大地损害了电极内部的电子传输路径，甚至会引发电极涂层从集流体剥离，造成电池容量的持续下降直至电池完全损坏。硅负极的另一个缺点是硅材料本身的电子电导率低(10^-3S cm^-1左右)，并且锂离子在硅负极中的移动速率较低。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

为了解决由于硅体积膨胀大造成的硅负极材料易粉化剥落进而影响电池循环性能的问题，本发明提供了一种硅碳复合材料。

本发明提供的硅碳复合材料，包括：

硅纳米颗粒；

金属层，所述金属层包覆于所述硅纳米颗粒的表面；

碳材料层，所述碳材料层包覆于所述金属层的表面。

进一步地，所述金属层的材质包括铁、铝、铜、钛或镍中的至少一种，优选为铜；

优选地，所述金属层的厚度为1-50nm，优选为3-10nm。

进一步地，所述碳材料层包括石墨碳层和无定形碳层，所述石墨碳层包覆于所述金属层的表面，所述无定形碳层包覆于所述石墨碳层的表面；

优选地，所述碳材料层的厚度为1-50nm，优选为10-20nm。

进一步地，所述硅纳米颗粒的粒径为10nm-500μm，优选为80-120nm；

优选地，所述硅纳米颗粒包括纳米硅晶体和/或纳米硅非晶体；

优选地，所述硅纳米颗粒为单分散的硅纳米颗粒。

进一步地，基于所述硅碳复合材料的总质量，所述硅纳米颗粒的含量为50-90wt％，金属层的含量为0.1-10wt％，碳材料层的含量为10-50wt％；

优选地，基于所述硅碳复合材料的总质量，所述硅纳米颗粒的含量为60-75wt％，金属层的含量为2-5wt％，碳材料层的含量为25-40wt％。

一种本发明的硅碳复合材料的制备方法，包括：