[发明专利]一种硅基复合负极材料及其制备方法

说明书

一种硅基复合负极材料，以二氧化硅和硅晶粒的混合物为基体，所述基体的表面从里到外依次包覆有硅酸锂层、不定型碳层和石墨烯层。其制备方法为：(将羧酸类有机物与锂化合物球磨，制备成浆料；将氧化亚硅颗粒加入浆料中搅拌均匀，然后在惰性气氛下进行煅烧处理，然后进行解距处理，置于惰性气氛下升温至1000℃‑1300℃，最后通入碳源气体和氢气的混合气体进行反应，得到硅基复合负极材料。本发明的硅基复合负极材料，表面的硅酸锂层、不定型碳层和石墨烯层结构缓解了氧化亚硅锂化过程中由于体积变化产生的内应力，维持材料结构的稳定性，同时形成了离子传输通道和电子传输通道，从而使材料具有良好的电化学性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，尤其涉及一种硅基复合负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度、高工作电压、长循环寿命的优点，在移动电源、3C电子设备和电动汽车领域得到广泛的应用。目前商业化锂离子电池负极主要为石墨材料，但其有限的理论比容量(372mAh g^-1)已经无法满足储能系统对二次电池日益增长的能量密度的需求。开发新型高比容量负极材料己成为研究的热点。硅基材料具有高理论容量(Li₂₂Si₅4200mAh/g)、低嵌锂电压(Si平均脱锂电位0.4V vs.Li/Li⁺)和原料来源广泛的优点，被视为下一代最具潜力的锂离子电池负极材料。

硅基负极材料具有石墨负极材料十倍的理论容量，然而在与锂合金化和去合金化的过程中，硅基负极存在巨大的体积变化(300％)，导致负极材料粉碎、电接触变差失活，SEI膜反复生成，从而严重影响到硅基负极材料循环性能。采用氧化亚硅取代硅能明显提高材料的循环性能，歧化后的亚硅材料中不定性硅以纳米级尺寸均匀分散在氧化硅基质中，能有效缓冲硅合金化过程中的体积膨胀，氧化亚硅同时具有硅基负极材料理论比容量，价格低廉和环境友好的优点。但是相对于石墨负极，氧化亚硅仍存在循环过程中结构不稳定的问题和自身导电能力差的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种硅基复合负极材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种硅基复合负极材料，以二氧化硅和硅晶粒的混合物为基体，所述基体的表面从里到外依次包覆有硅酸锂层、不定型碳层和石墨烯层。

上述的硅基复合负极材料，优选的，所述硅酸锂层厚度为2-10nm，所述不定型碳层厚度为10-100nm，所述石墨烯层厚度为1-5nm。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的硅基复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将羧酸类有机物与锂化合物球磨，制备成浆料；

(2)将氧化亚硅颗粒加入步骤(1)制备的浆料中搅拌均匀；

(3)将步骤(2)后的混合料在惰性气氛下进行煅烧处理，得到前驱体；

(4)将所述前驱体解距处理，然后置于惰性气氛下升温至1000℃-1300℃，最后通入碳源气体和氢气的混合气体进行反应，得到硅基复合负极材料。

本发明在煅烧过程中，高温歧化使氧化亚硅内部生成纳米级硅均匀分散在二氧化硅基质中，采用表面活性剂处理氧化亚硅颗粒，使硅表面形成Si-OH结构，得到氧化亚硅的表面进行活化，同时在表面形成微孔洞，目的是利用表面活性剂的氢键将氧化亚硅表面与碳层紧密相连；同时氧化亚硅表面包覆的浆料在高温惰性气氛中碳化为无定型碳层，无定型碳表面凹凸不平的结构为石墨烯的生成提供活性位点；浆料中的锂盐与表面微腐蚀后的氧化亚硅反应，形成一层硅酸锂层。硅酸锂-无定形碳-石墨烯三层结构缓解了氧化亚硅锂化过程中由于体积变化产生的内应力，维持材料结构的稳定性，同时形成了离子传输通道和电子传输通道，从而使材料具有良好的电化学性能。