[发明专利]硅碳复合材料、电极、锂离子电池及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅碳复合材料、电极、锂离子电池及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：S1、将原料均质，得到浆料；其中，所述原料包括以下重量份的组分：硅100份、碳纳米管0.005～1份、补锂添加剂0.1～10份、树脂10～200份和溶剂；所述均质包含砂磨或球磨；S2、将浆料蒸干，得前驱体A；S3、将前驱体A进行热处理，粉碎后得前驱体B；S4、将前驱体B与包覆剂混合进行包覆，得前驱体C；S5、将前驱体C进行热处理。以该方法制得的硅碳复合材料作为负极材料的锂离子电池同时具有高容量、高首效、优异的倍率性能和循环性能，其制备方法简单，可实现工业化规模生产。

技术领域

本发明涉及一种硅碳复合材料、电极、锂离子电池及其制备方法和应用。

背景技术

电子设备的小型化、智能化发展，对其供电部件提出了小型化、高功率、高安全的要求。此外，电工汽车、电工工具对其电能储存、续航提出了越来越高的要求。作为新一代化学电源的锂电池，虽然在过去的二十对年中，锂电池取得了长足的发展，但是传统石墨类负极材料由于理论比容量仅为372mAh/g，且现有技术已经基本达到了石墨类负极的容量极限和功率极限，这些因素限制了锂离子电池比能量的进一步提高。

硅和碳元素同处在第四主族，化学性能存在诸多的相似之处。但是硅有着室温下高达3800mAh/g的比容量，这是石墨的10倍。此外硅材料有着适当较低的电化学储锂电位平台。这两种因素决定了硅是取代石墨类负极材料的最佳选择。但是硅材料在嵌锂和脱锂过程性中存在高达300％的体积变化，这些极易造成硅颗粒的粉化、团聚和负极材料从集流体上脱离，从而导致负极材料结构损坏电连接丧失；硅粉的体积变化会使得硅颗粒从包覆材料中脱出并产生新的表面积，这些硅的表面与电解液接触后不断形成新的、不稳定的固体电解质界面膜(SEI膜)，不仅消耗电解液与锂离子，还会造成电性能的严重衰减，最终产生锂离子电池的电化学性能衰减甚至变形、破裂。

中国专利CN110148743A公开了一种硅碳复合负极材料及其制备方法和锂离子电池。该专利构建了一种核壳结构的硅碳负极材料，内核为碳纳米管包覆的纳米硅，外壳为碳包覆层。硅碳复合负极材料内部预留的空腔能有效改善硅材料在充放电过程中体积变化导致的应力集中、颗粒粉碎，进而导致容量衰减、极片增厚的情况；纳米硅表面包覆的碳纳米管能够提供良好的导电性，提升硅碳复合负极材料的导电能力，改善锂离子电池的功率性能。该方法采用3次包覆和1次刻蚀得到，操作方法复杂，控制参数多，商业化生产难度较大。

中国专利CN110190331A公开了一种稳固锂离子电池硅碳表面的电解液、制备及其应用，该发明采用在电解液中添加二甲基二甲氧基硅烷、烯丙氧基三甲基硅烷作为饰膜添加剂，氟代碳酸乙烯酯为成膜添加剂，二甲基二甲氧基硅烷、烯丙氧基三甲基硅烷形成的硅氧硅交叉聚合网络修饰SEI膜，减少氟代碳酸乙烯酯持续分解产生气体及锂盐对于集流体的腐蚀。被修饰的SEI膜更均匀致密，减少了硅碳负极析锂现象，使电极表面更稳定，增加了电池循环稳定性能。然而，通过电解液添加剂进行SEI膜修饰只能采用有限的一些有机物，而无法进行无机SEI膜修饰。

发明内容

本发明为了解决现有技术中硅基负极材料的循环性能、倍率性能无法兼顾的缺陷，从而提供了一种硅碳复合材料、电极、锂离子电池及其制备方法和应用。本发明的硅碳复合材料性能稳定，膨胀率低，以其作为负极材料的锂离子电池同时具有高容量、高首次库伦效率、优异的倍率性能和循环性能，并且其制备工艺简单，加工性能优异，可实现工业化规模生产。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种硅碳复合材料的制备方法，其包括以下步骤：

S1、将原料均质，得到浆料；其中，所述原料包括以下重量份的组分：硅100份、碳纳米管0.005～1份、补锂添加剂0.1～10份、树脂10～200份和溶剂；所述均质包含砂磨或球磨；

S2、将所述浆料蒸干，得前驱体A；