[发明专利]复合材料、制备方法及包含其的锂离子电池负极材料和锂离子电池

说明书

本发明提供了一种复合材料、制备方法及包含其的锂离子电池负极材料和锂离子电池，涉及新材料或储能材料技术领域。所述复合材料主要由至少一层的纳米硅层、至少一层的纳米碳层包覆于内核表面组成；其中，所述纳米硅层、纳米碳层在复合材料中相邻两层不相同，所述纳米碳层设置于复合材料的最外层。本发明通过上述层状结构的设置，在加入纳米级硅类原料提高复合材料能量密度的同时，有效缓解了硅在嵌入和脱嵌锂离子过程中的体积膨胀的问题；而且上述纳米碳层设置于复合材料最外层的设置，也可以有效保护本申请的纳米硅层不和电解液直接接触，进而也缓解了现有的纳米硅材料与锂离子电池电解液接触后不稳定导致循环性能差的问题。

技术领域

本发明涉及新材料或储能材料技术领域，尤其是涉及一种复合材料、制备方法及包含其的锂离子电池负极材料和锂离子电池。

背景技术

锂离子二次电池，是利用正负极材料充许锂离子嵌入和脱嵌的性质，通过与隔膜、电解液、电池壳等组件组合，形成可允许充放电的电子器件。正负极材料可允许嵌入和脱嵌锂离子的数量决定了正负极材料和锂离子二次电池的容量。近年来，随着锂离子二次电池的迅速发展，已经广泛应用于手机、电脑、可穿戴设备、电动汽车、大巴等电子消费类、动力运输以及能源储存类设备，特别是近几年随着手机和电动汽车的快速发展，对锂离子二次电池的重量和续航提出了新的要求。

现有商业化的锂离子电池负极材料是碳类负极材料，主要是人造石墨和天然石墨，以及一部分硬碳和软碳材料，除此以外还有部分钛酸锂材料。碳类负极材料的理论容量为372mAh/g；同时，目前广受关注的锡类合金、硅及其氧化物、以及硅系合金拥有更高的理论容量，尤其是硅类材料，硅的理论容量高达4200mAh/g，是碳类负极材料的十倍，拥有良好的应用前景。虽然硅的理论容量很高，但硅在嵌入和脱嵌锂离子过程中会发生巨大的体积变化。

因此，目前硅类负极材料研究较多的是将硅的尺寸变小，进而减小硅嵌脱锂离子过程中的体积效应，或将微米硅的外层包覆一层阻隔层，减小硅表面与电解液直接接触的机会，让材料的循环性能更加稳定。然而制备纯度高、粒径小的微米硅甚至纳米硅，一般需要采用球磨、砂磨等破碎方式获得小颗粒硅粉，能耗非常大，不利于工业化生产；或是用气相的方式获得纳米硅，然后将硅粉和其它材料相混合，制得硅碳复合材料，这种微米硅或纳米硅在复合过程中的分散技术极为关键，很难获得分散非常均匀的复合材料，而且微米硅或纳米硅在制备、储存和使用过程中极易氧化，造成材料性能下降和不稳定的负面影响。

因此，有鉴于现有的硅类材料在锂离子电池负极材料中的应用并不理想的问题，研究开发出一种具有能量密度高、循环性能稳定的硅基锂离子电池负极材料，以缓解现有硅基锂离子电池负极材料的上述问题，已变得十分必要和迫切。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种复合材料，所述复合材料有效缓解了硅在嵌入和脱嵌锂离子过程中的体积膨胀以及现有的纳米硅材料与锂离子电池电解液接触后不稳定导致循环性能差的问题。

本发明的第二目的在于提供一种复合材料的制备方法。

本发明的第三目的在于提供一种锂离子电池负极材料，该锂离子电池负极材料具有能量密度高、循环性能稳定的优势，有效缓解了现有含硅锂离子电池负极材料能量密度低、循环性能差的问题。

本发明的第四目的在于提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述锂离子电池负极材料。

本发明的第五目的在于提供一种包括上述锂离子电池的电子装置、电动工具、电动车辆或电力储存系统。

本发明提供的一种复合材料，所述复合材料主要由至少一层的纳米硅层、至少一层的纳米碳层包覆于内核表面组成；

其中，所述纳米硅层、纳米碳层在复合材料中相邻两层不相同，所述纳米碳层设置于复合材料的最外层；

所述内核包括实心内核和/或空心内核，所述实心内核主要由基体材料组成。