[发明专利]核壳式硅碳复合材料、制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种核壳式硅碳复合材料，包括硅碳复合颗粒，所述硅碳复合颗粒包括石墨和吸附于所述石墨表面的硅纳米颗粒，所述核壳式硅碳复合材料还包括包覆于所述硅纳米颗粒表面的第一碳包覆层以及至少一第二碳包覆层，所述第一碳包覆层和所述第二碳包覆层采用经过表面改性剂处理的混合碳源与所述硅纳米颗粒混合后，所述表面改性剂使得所述第一碳包覆层和所述第二碳包覆层极性改变，并相互排斥，所述第一碳包覆层对所述硅纳米颗粒具有吸附性。本发明提供的所述核壳式硅碳复合材料具有较低的体积膨胀率和较好的循环性能。本发明还提供了所述核壳式硅碳复合材料的制备方法以及所述核壳式硅碳复合材料的应用。

技术领域

本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种核壳式硅碳复合材料、所述核壳式硅碳复合材料的制备方法及所述核壳式硅碳复合材料的应用。

背景技术

负极材料作为锂离子电池的主要组件构成之一，其作用不可或缺。硅由于理论比容量高(4200mAh/g)、储量丰富，来源广泛以及价格低廉等优点，在锂离子电池中具有广泛的应用。然而，在电化学的脱/嵌锂过程中，硅通常产生严重的体积膨胀率(370％)，致使集流体与活性材料之间的接触变差，同时硅也容易发生粉化，结果导致电极材料容量及电池循环性能崩塌式衰减。此外，硅本身的电导率较低以及与常规电解液匹配性程度较差也制约着硅在锂电池中的进一步应用，目前更多的研究者采取复合法制备硅基复合材料来提高硅的循环性，而取得成效的是对硅表面进行碳包覆所制得硅碳复合材料，比如授权公号CN109360946A与CN105576210A分别采用多次混合包覆以及对硅外表包覆多层，两专利公布号提到每次包覆硅之后需要破碎筛分，再次加碳源进行碳包覆，操作繁杂，且多次进行破碎时，不可避免的将包覆好硅的碳层破坏掉，而且每次起始热处理也会增加能耗，在实际商业运用中不太理想。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种一次性混合且连续包覆的体积膨胀率较低的核壳式硅碳复合材料。

另，还有必要提供一种所述核壳式硅碳复合材料的制备方法。

另，还有必要提供一种所述核壳式硅碳复合材料在电极材料中的应用。

本发明提供一种核壳式硅碳复合材料，包括硅碳复合颗粒，所述硅碳复合颗粒包括石墨和吸附于所述石墨表面的硅纳米颗粒，所述核壳式硅碳复合材料还包括包覆于所述硅纳米颗粒表面的第一碳包覆层以及至少一第二碳包覆层，所述第一碳包覆层和所述第二碳包覆层由所述硅纳米颗粒的表面向外依次设置，所述第一碳包覆层和所述第二碳包覆层采用经过表面改性剂处理的混合碳源与所述硅纳米颗粒混合后，利用具备多个软化、碳化点的所述混合碳源对所述硅纳米颗粒进行连续分阶段的碳包覆，所述表面改性剂使得所述第一碳包覆层和所述第二碳包覆层极性改变，并相互排斥，所述第一碳包覆层对所述硅纳米颗粒具有吸附性，所述第一碳包覆层的孔隙率大于所述第二碳包覆层的孔隙率。

本发明还提供一种所述核壳式硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将硅粉加入到溶剂中，研磨后得到第一混合物；

将石墨加入到所述第一混合物中，混合后得到第二混合物；

将经过表面改性剂处理的混合碳源加入到所述第二混合物中，混匀并融合后得到第三混合物，其中，所述混合碳源具有至少两种软化温度以及至少两种碳化温度，所述混合碳源包括第一碳源以及第二碳源，所述第一碳源的粒径以及所述第二碳源的粒径分别为r₁和r₂，则r₁＝r₂/n，其中，n＝5～20，1μm≤r₁≤5μm；以及

对所述第三混合物进行分段热处理，冷却后得到所述核壳式硅碳复合材料。

本发明还提供一种所述核壳式硅碳复合材料在电极中的应用。