[发明专利]类蜂窝状锂离子电池用硅碳复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种类蜂窝状锂离子电池用硅碳复合电极材料及其制备方法，属于电池负极材料制备技术领域，所述复合电极材料为纳米硅颗粒被薄片状碳包覆的材料。本发明通过选用温室气体COsubgt;2/subgt;作为薄片状碳的原料，成本低的同时又能解决环境问题，并且利用常规可规模化的镁热还原二氧化硅方法制备硅纳米颗粒，及在镁热还原过程中引入COsubgt;2/subgt;气体，以实现纳米硅颗粒被薄片状碳包覆，最终得到类蜂窝状结构的硅碳复合材料。该制备工艺简单，大大缩短了制备工艺流程，降低生产成本的同时，又适用于各种二氧化硅的原料，适于市场推广与应用。

技术领域

本发明属于电池负极材料的制备技术领域，涉及一种硅碳复合电极材料。更具体地，涉及一种类蜂窝状锂离子电池用硅碳复合电极材料及其制备方法。

背景技术

二次锂离子电池具有能量密度高、充放电时间长、自放电低、无污染、安全可靠等特点，被认为是理想的能量储存和转化的工具。锂离子电池广泛应用于电子设备、电动汽车以及其它储能系统。负极材料是制约锂离子电池发展的主要因素之一，目前商业化的负极材料主要是石墨碳负极材料，理论容量只有372mAh/g，难以满足日益增长的高能量密度，寻求高容量的负极材料替代石墨成为迫切需求。

硅是地球上储量最高的元素之一，理论容量高达4200mAh/g，有望成为下一代锂离子电池负极核心材料，但其导电性差与充放电体积膨胀接近四倍的缺点严重制约了它的发展。碳的来源广泛、价格低廉，且是商业化锂离子电池主要负极材料，所以制备硅碳复合材料被认为是解决硅问题最有效的方式之一。

因此，开发一种简单、高效制备硅碳复合材料的工艺，成为硅负极材料商业化必须面对的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种类蜂窝状锂离子电池用硅碳复合电极材料。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种类蜂窝状锂离子电池用硅碳复合电极材料，所述复合电极材料为纳米硅颗粒被薄片状碳包覆的材料，且所述复合电极材料是通过镁热还原二氧化硅方法制备硅纳米颗粒，同时在镁热还原过程中引入CO₂气体对纳米硅进行碳包覆，最终得到类蜂窝状结构的硅碳复合材料。

优选的，所述硅纳米颗粒的直径为5～500nm。

本发明针对硅在嵌锂过程中，体积变化达到400％以上，巨大的体积效应造成两大问题：1)硅粉化及电绝缘，2)固体电解质界面(SEI)膜的反复破坏和重新生成，导致持续不可逆的容量衰减和安全隐患。因此，硅材料在充放电过程中体积膨胀导致电池的综合性能大幅度下降，且其低电子电导率(6.7×10^-2S/m)、生产过程复杂及成本高，都限制了硅材料的商业化进程。为推进硅材料的实际应用，设计硅复合材料需考虑与目前的电池体系兼容性好。

碳材料具有较高的电导率，结构相对稳固，在循环过程中体积膨胀很小，通常在10％以下，并且碳材料还具有良好的柔韧性和润滑性，能够在一定程度上抑制硅材料在循环过程中的体积膨胀。当硅的体积在纳米级时，本身的体积效应较小，碳层又可缓冲体积变化，增强硅颗粒之间的电子传导并且减少硅表面和电解液的直接接触，阻止SEI膜的持续生长，电解液消耗，阻抗变大，从而提高电池的循环寿命。Si较脆，硬度大，辊压压力不宜过大，硅碳复合活性材料能够综合硅材料与碳材料各自的优势，更加耐辊压，适用于高密度电极发挥出更优异的性能，同时具有大规模生产的能力。

综上，本发明通过将纳米尺度的硅被薄片状碳包覆得到的硅碳复合电极材料具有类蜂窝状结构，有利于电解液和电极材料的充分接触和电解液的完全渗透，以提高电池负极材料的倍率性能和循环性能，使其更好的应用于锂离子电池中。

本发明的另一目的是提供一种类蜂窝状锂离子电池用硅碳复合电极材料的制备方法，该制备方法连续、绿色、高效，且制备步骤简单，原料和设备简单易得，适于推广。