[发明专利]一种多孔球形硅基复合负极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种多孔球形硅基复合负极材料的制备方法。包括以下步骤：(1)将一定量高纯气态四氯化硅通入含有金属盐、碳源前驱体及金属基硅合金的混合液A中，四氯化硅经水解，生成氯化氢及二氧化硅，在持续搅拌条件下，氯化氢将金属基硅合金中的金属溶解去除进而得到多孔硅骨架基体，四氯化硅水解生成的二氧化硅则在多孔硅骨架上进行沉积包覆，而后经水热反应，得到原位掺杂金属离子并包覆有碳源前驱体的硅/二氧化硅颗粒B；(2)将B物料在保护气氛下进行高温处理，得到比容量高、循环性能好、倍率性能优的锂离子电池硅基复合负极材料。本发明的工艺方法简单，制得的硅基复合负极材料分散性好，表面包覆均匀、比容量高、循环性能好。

技术领域

本发明涉及一种多孔球形硅基复合负极材料的制备方法，属于新能源、新材料技术领域。

背景技术

锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长等优点，是当前最受关注的能量储存装置，目前已被广泛用作电动汽车和混合动力汽车的动力电源。而电池中电极材料的性能是决定锂离子电池能量导致密度的关键所在。负极材料是锂离子电池的重要组成部分，其性能的好坏直接影响到锂离子电池的性能。但其商用石墨负极372mAh/g的理论比容量已远远不能满足动力电池对高能量密度负极材料的要求，因此开发新型高效的锂离子电池负极材料具有十分重要的实用意义。

硅具有目前已知最高的理论嵌锂比容量，其化学嵌锂电位低，是目前极具应用前景的锂离子电池负极材料。但硅本征电子导电性差，且其在嵌脱锂过程中会产生高达400%的体积变化，导致硅负极材料循环稳定性及倍率性能差，严重阻碍了其商业化应用。常用的提高硅基负极材料循环稳定性的方法包括：

（1）制备纳米结构材料，如一维硅纳米线/管、二维硅薄膜、三维多孔硅结构等；多孔硅结构由于具有丰富的孔道结构，可以释放材料内部因体积效应带来的应力，亦可形成电子和离子传导的庞大网络，有利于锂离子的迁移，从而显著提高可逆容量及电极结构的稳定性。酸腐蚀金属基硅合金可得到微米/亚微米级多孔硅结构，且具有成本低，工艺简单可控等优点。然而，现有技术中对于多孔硅负极材料自身导电性能差、充放电电化学脱嵌中体积变化剧烈产生的电池容量急剧缩减、与电解液发生反应影响电池的库伦效率等问题，尚缺乏有效的解决方案。

（2）与碳复合制备Si/C复合材料，提高材料的电子导电能力，同时缓解硅的体积变化；碳类材料在锂的嵌脱过程中体积变化很小并具有良好的导电性、延展性、弹性等优点，将碳作为分散基质与高理论比容量的硅相结合，提高硅的循环稳定性。尽管碳的引入对改善材料倍率性能和循环稳定性能具有重要作用，但过高的碳含量会导致复合材料理论容量的降低，同时还引起材料振实密度的降低。

（3）与金属、硅氧化物等活性或惰性相复合，为材料提供更多的脱嵌锂通道，并缓解嵌脱锂过程中的体积变化。在硅基材料中进行金属掺杂可有效改善锂离子扩散条件。在硅表面包覆硅的氧化物则是一种可以有效改善硅基材料循环稳定性的方法。SiO₂具有脱嵌锂活性，通常SiO₂在首次嵌锂时产生不可逆相Li₄SiO₄和Li₂O，其可作为缓冲介质，有效抑制硅在脱嵌锂过程中带来的体积膨胀，提高电极的循环性能，且随着表面SiO₂包覆层厚度的增加，硅基材料循环稳定性能逐渐提高。

发明内容