[发明专利]一种硅碳复合材料、制备方法及其锂离子电池

说明书

本发明属于锂离子材料制备制备领域，具体的说是一种硅碳复合材料、制备方法及其锂离子电池，其材料呈现核壳结构，内核为硅氮氧化合物及其掺杂在之间的无机锂盐，外壳为多孔沥青组成。其制备过程为：首先配置硅氮烷混合液，并添加偏铝酸锂、沥青，之后通过Friedel‑Crafts反应制备出多孔沥青/硅氮/锂盐混合液，之后再进行碳化及其气体掺杂，制备出硅碳复合材料。其制备出材料利用无机锂盐锂离子导电率高，并提供充足的锂离子提高其硅碳材料的首次效率及其导电率，同时外壳多孔碳缓冲充放电过程中硅氮化合物的膨胀提高其材料的循环性能及其吸液保液能力，制备出硅碳复合负极材料应用于锂离子电池材料具有倍率性能佳、循环性能好及其能量密度高等特性。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料制备领域，具体的说是一种硅碳复合材料、制备方法及其锂离子电池。

背景技术

随着市场对锂离子电池能量密度要求的提高，而负极材料是组成锂离子电池的关键材料，目前市场上的负极材料主要以石墨类材料为主，但是其存在可容量偏低(理论容量372mAh/g)，限制其能量密度的提高。而硅碳负极材料以其克容量高、资源丰富等优点而受到研究者的重视，并应用于高比能量密度锂离子电池等领域，但是其膨胀率高、导电性偏差制约其广泛应用。目前降低硅材料的膨胀措施主要方法有：1)在硅材料表面包覆碳材料，降低其材料膨胀率；2)制备出孔状模板，并将纳米硅材料嵌入孔洞中，降低其膨胀率；3)包覆膨胀率高、导电性强的材料，比如多孔碳、碳纳米管、锂盐等材料，以降低其硅材料的膨胀率及其提高导电性。比如专利(CN105576203A)公开了石墨烯/硅/碳纳米管复合材料及其制备方法与应用，其制备过程为：将石墨烯粉末、碳纳米管加至NMP溶液中，用超声振荡使其分散均匀，再加入纳米硅粉，超声振荡分散均匀；将得到的混合溶液干燥、烘干、研磨，即得石墨烯/ 硅/碳纳米管复合材料，但是其存在锂离子导电率差、电子导电率差及其膨胀率偏高等方面的缺陷，在降低膨胀率的同时，材料的电子和离子导电率性能并未得到改善，影响其材料综合性能发挥。而通过外层包覆及其内核改性相结合的方法，可以全面提高材料的克容量、倍率、快充的性能及其降低材料的膨胀率。

发明内容

为改善其目前硅碳负极材料膨胀率高、离子导电率及其电子导电率差等方面存在的缺陷，本发明的目的是通过内核改性及其外壳包覆双重作用制备出电子和离子导电率高、膨胀率小、克容量高的硅碳复合材料。

一种硅碳复合材料、制备方法，其特征在于，复合材料呈现核壳结构，内核是由(1～20)％硅氮氧化合物及其掺杂在之间的锂盐，外壳为多孔沥青碳化后形成的多孔碳组成，其质量比，硅氮氧化合物∶锂盐＝(1～5)∶(1～5)；

所述的硅氮氧化合物为SiO_xN_y(0＜X≤1，0＜Y≤1)；

其制备过程为：

1)将(1～5)g有机硅烷添加到有机溶剂中，溶解完全后添加(0.5～1)g锂盐，搅拌均匀后，转移到高压反应釜中，在温度为(150～300)℃反应(6～24)h，过滤、干燥、粉碎得到复合材料A；

2)将(1～10)g沥青溶于500～1000ml无水四氯化碳，再加入(5～100)g无水三氯化铝作为催化剂进行Friedel-Crafts反应，后用(500～1000)ml乙醇反应终止剂终止反应，之后添加复合材料A，过滤取固体产物进行(800～1000)℃炭化后得到复合材料B；

3)之后将复合材料B转移到管式炉中升温到(150～300)℃，通入气体改性剂(流量1-10ml/min，时间：30-120min)，进行表面改性，最后进行粉碎、分级得到。

所述步骤(1)中的有机硅烷为：六苯基环三硅氮烷、1，1，3，3-四甲基-1，3-二乙烯硅氮烷、 2，2，4，4，6，6-六甲基环状三硅氮烷、1，1，1，3，5，5，5-七甲基-3-苯基三硅氮烷、2，2，4，4，6，6，8，8-八甲基环状四硅氮烷、1，1，3，3，5，5-六甲基环三硅氮烷、六甲基二硅氮烷、七甲基二硅氮烷中的一种及其以上；