[发明专利]笼状硅碳复合材料及其制备方法、电池负极和电池

说明书

本申请提供一种笼状硅碳复合材料及其制备方法、电池负极和电池，涉及电池材料技术领域。笼状硅碳复合材料包括硅核和包覆在所述硅核表面的笼状碳壳，所述笼状硅碳复合材料呈球形。该笼状硅碳复合材料的制备方法，包括将碳源、硅源与碱性体系混合，采用一锅法进行水热处理，固液分离，得到前驱体；将前驱体进行碳化处理，得到二氧化硅/碳微球；将所述二氧化硅/碳微球与还原剂进行还原反应，得到硅/碳微球；将所述硅/碳微球与刻蚀剂进行刻蚀反应，后处理得到所述笼状硅碳复合材料。该笼状硅碳复合材料可应用于电池负极上，有利于电解液的浸润以及离子和电子的传导，为电解液与活性材料的接触提供了更有效的通道。

技术领域

本申请涉及电池材料技术领域，尤其涉及一种笼状硅碳复合材料及其制备方法、电池负极和电池。

背景技术

锂离子电池由于具有比能量大，工作电压高，安全性好，环境污染小等优点，使其迅速成为电子设备、电动汽车等领域的主导能源。而随着人类对大规模储能装置的需求不断增长，促进了开发具有能量密度高，功率密度高，循环寿命长的下一代锂离子电池的广泛研究。负极材料作为锂离子电池储锂的主体，在充放电过程中实现锂离子的嵌入和脱出，是提高锂离子电池比容量，循环性，充放电等相关性能的关键。

目前商业化的负极材料主要是以石墨为主的传统碳材料，但石墨理论的比容量只有372mAh/g，这很大程度上限制了锂离子电池总比容量的进一步提高。硅被认为是最有潜力的新一代高容量锂离子电池负极材料，与传统的石墨负极材料相比，硅具有极高的质量比容量(4200mAh/g)，是天然石墨的十多倍。但由于硅的体积膨胀，在充放电过程中会使其结构被破坏，使活性材料从集流体上脱落，且不断形成不可逆电解质膜，最终导致硅负极材料低的可逆容量、差的循环稳定性和倍率性能。因此，为提高锂离子电池总比容量，开发一种新型的具有高比容量的负极材料十分紧迫。

发明内容

本申请的目的在于提供一种电化学性能好，绿色环保的核-壳结构笼状硅碳复合材料及其制备方法，以解决现有技术中存在的不足。

为实现以上目的，本申请的技术方案为：

一种笼状硅碳复合材料，包括硅核和包覆在所述硅核表面的笼状碳壳，所述笼状硅碳复合材料呈球形；

所述硅核的直径为200-350nm，所述笼状碳壳的厚度为20-70nm。

本申请还提供了上述笼状硅碳复合材料的制备方法，包括：

将碳源、硅源与碱性体系混合，采用一锅法进行水热处理，固液分离，得到前驱体；

将所述前驱体在流动的保护气体中进行碳化处理，得到二氧化硅/碳微球；

将所述二氧化硅/碳微球与还原剂进行还原反应，得到硅/碳微球；

将所述硅/碳微球与刻蚀剂进行刻蚀反应，后处理得到所述笼状硅碳复合材料。

优选地，所述碳源包括烃类化合物、酮类化合物、醇类化合物、醛类化合物、酚类化合物中的一种或多种；

优选地，所述碳源包括冰醋酸、苯甲酸、乙二酸、方形酸、乙二醇、丙三醇、乙醇、甲醇、甲醛、对苯二酚和间苯二酚中的一种或多种；

优选地，所述硅源包括三甲基氯硅烷、四甲基硅烷、二甲基二氯硅烷、四氯化硅、乙烯基硅烷、氨基硅烷、四乙氧基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷中的一种或多种；

优选地，所述碱性体系为水、乙醇和氨水的混合体系，所述碱性体系的pH为7.1-9.0；

优选地，所述混合时，需要进行搅拌，所述搅拌的时间为2-48h；

优选地，所述水热处理的温度为150-200℃，时间为12-36h；

优选地，所述固液分离采用真空过滤，再对过滤产物进行烘烤，得到所述前驱体；