[发明专利]一种硅炭复合材料及其制备方法、锂电池负极、锂电池

说明书

本发明是关于一种硅炭复合材料及其制备方法、锂电池负极、锂电池。主要采用的技术方案为：一种硅炭复合材料的制备方法，包括如下步骤：1)将炭源材料、硅颗粒、溶剂配制成反应混合物；2)将反应混合物滴加到乳化分散剂中，在搅拌及加热的条件下反应设定时间，使炭源材料包覆硅颗粒，得到包含反应产物的混合物；对包含反应产物的混合物进行后处理得到硅‑炭源复合材料；3)对硅‑炭源复合材料进行高温炭化处理得到硅炭复合材料；硅炭复合材料是以硅颗粒为核、无定型炭为壳的核壳结构。本发明制备的硅炭复合材料具有高比容量、高首次充放电效率、优异的倍率性能和循环稳定性。本发明的制备工艺简单、成本低、环境友好无污染、易于产业化。

技术领域

本发明涉及一种锂电池技术领域，特别是涉及一种硅炭复合材料及其制备方法、锂电池负极、锂电池。

背景技术

锂电池(锂离子电池)所用的负极材料大多为炭材料；炭材料具有充放电可逆容量较高、充放电循环稳定性良好、相容性好、资源丰富、成本低廉等优点。但是，炭材料的理论比容量较低(372mAhg^-1)，无法满足未来锂电池对高能量密度的需求。

由于硅具有超高的理论比容量(4200mAhg^-1)和较低的脱锂电位(0.5V)，且硅的电压平台略高于炭材料，安全性能较好，因此硅已经成为电池碳基负极的选择之一，目前已经在小范围实现应用和可持续开发的锂离子电池负极材料。

但是，硅材料用作锂电池负极材料时会存在如下问题：硅材料在充放电过程中容易发生体积膨胀，导致硅材料结构发生严重变化甚至遭到破坏，这样以来，使得锂电池负极材料的循环性能降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种硅炭复合材料及其制备方法、锂电池负极、锂电池，主要目的在于以简单的工艺制备一种硅炭复合材料，该硅炭复合材料为以硅颗粒为核、无定型炭为壳的核壳结构，无定型炭在硅颗粒的外层形成一个坚硬外壳，能有效限制了硅的体积效应。

为达到上述目的，本发明主要提供如下技术方案：

一方面，本发明的实施例提供一种硅炭复合材料的制备方法，其包括如下步骤：

1)将炭源材料、硅颗粒、溶剂配制成反应混合物；

2)将所述反应混合物加到乳化分散剂中，在搅拌及加热的条件下反应设定时间，使炭源材料包覆硅颗粒，得到包含反应产物的混合物；对所述包含反应产物的混合物进行后处理，得到反应产物；

其中，所述反应产物为硅-炭源复合材料；所述硅-炭源复合材料中的硅颗粒为核、炭源材料为包覆硅颗粒的包覆层；

3)在保护气氛下，对所述硅-炭源复合材料进行高温炭化处理，得到硅炭复合材料；其中，所述硅炭复合材料是以硅颗粒为核、无定型炭为壳的核壳结构；所述无定型炭为炭源热解后形成的炭。

优选的，在所述步骤1)中：所述炭源材料为环氧树脂、酚醛树脂中的一种或两种。优选的，所述溶剂为有机溶剂，优选乙醇、丙酮、甲苯、乙酸乙酯中的一种或几种。优选的，所述硅颗粒为纳米硅颗粒；优选的，所述硅颗粒的平均粒径为10-100nm。优选的，所述溶剂与所述硅颗粒的质量比为25:1-40:1。优选的，所述硅颗粒与所述炭源材料的质量比为1:2-5:1。

优选的，所述步骤1)具体为：将所述炭源材料溶于所述溶剂中，再将所述硅颗粒超声分散于其中，得到反应混合物。优选的，所述超声分散的时间为30-60min。

优选的，在所述步骤2)中：

将所述反应混合物以滴加的方式加到乳化分散剂中；和/或

所述搅拌的速度为10000-30000r/min；和/或

所述加热的温度为100-180℃；和/或

所述设定时间为1-5h。