[发明专利]核壳结构微米硅碳复合材料及制备方法、电极及电池

说明书

本申请公开一种核壳结构微米硅碳复合材料，其包括：由微米硅形成的内核；和包覆在所述内核上的碳壳层，其中所述碳壳层由内向外依次包括致密碳层一、多孔碳层和致密碳层二。本申请还公开一种核壳结构微米硅碳复合材料的制备方法，以及包括该核壳结构微米硅碳复合材料的电极、包括该电极的电池、包括该电池的电路以及包括该电路的用电设备。

技术领域

本申请涉及锂电池技术领域，具体涉及一种核壳结构微米硅碳复合材料及其制备方法、包括该核壳结构微米硅碳复合材料的电极及电池。

背景技术

目前，硅材料由于其高比容量成为最具发展前景的下一代锂电池负极材料。纳米结构硅在一定程度上可以缓解硅颗粒的破碎，成为目前研究的重要方向。但是纳米硅成本高、批次稳定性较差、活性大容易氧化、易团聚、难以分散的缺点导致其制备困难、一致性较差。

微米硅可以解决以上问题，其由于成本低、制备工艺简单、首效高的特点逐渐受到重视。但是微米硅相较于纳米硅更加剧烈的体积膨胀效应、更差的电子电导，导致其循环性能急速衰减，一般的核壳结构也难以抵挡硅的体积膨胀。

目前涉及微米硅结构改进的技术非常少，都是以纳米硅为基础进行硅碳材料的构筑。为了缓解纳米硅材料的体积效应，维持颗粒完整，构筑多孔结构如核壳结构，为膨胀提供空间是目前的主要改进手段。但是以上结构中的空腔直接与硅材料相接，导致电子、离子无法形成面扩散，仅为点扩散；同时预留空间导致的无应力包覆层会使循环中硅颗粒破裂后的一次颗粒散落在预留空间中，打断了锂离子、电子的扩散路径；综上导致电化学过程中阻抗持续增加，循环性能降低，无法更进一步的提升性能。

发明内容

为克服现有技术中的微米硅颗粒作为电极材料的技术难点，本申请旨在提供一种核壳结构微米硅碳复合材料，以及一种核壳结构微米硅碳复合材料的制备方法，有效提高了电池的循环性能和库伦效率。

本申请的具体技术方案如下：

1.一种核壳结构微米硅碳复合材料，其特征在于，其包括：

由微米硅形成的内核；和

包覆在所述内核上的碳壳层，其中所述碳壳层由内向外依次包括致密碳层一、多孔碳层和致密碳层二。

2.根据项1所述的核壳结构微米硅碳复合材料，其特征在于，所述微米硅的平均粒径D50为1～8μm，球形度为0.3～0.95。

3.根据项1或2所述的核壳结构微米硅碳复合材料，其特征在于，所述致密碳层一的厚度为所述微米硅平均粒径D50的0.05％～1％，优选为0.1％～0.4％；

优选地，所述致密碳层一的孔隙率为10％～50％，优选为10％～30％。

4.根据项1～3中任一项所述的核壳结构微米硅碳复合材料，其特征在于，所述多孔碳层的厚度为所述微米硅平均粒径D50的5％～25％，优选为10％～20％；

优选地，所述多孔碳层的多孔由造孔剂和刻蚀剂形成，所述造孔剂选自纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氧化铝、纳米氧化硅、纳米氧化铜、纳米氧化铁和纳米氧化锰中的一种或两种以上；

优选地，所述造孔剂的平均粒径D50为50～500nm，优选为50～200nm；

优选地，所述多孔的平均孔径不小于所述造孔剂的平均粒径D50；

优选地，所述刻蚀剂选自盐酸、硝酸和氢氟酸中的一种或两种或三种。

5.根据项1～4中任一项所述的核壳结构微米硅碳复合材料，其特征在于，所述致密碳层二的厚度为所述微米硅平均粒径D50的0.05％～1％，优选为0.1％～0.2％；

优选地，所述致密碳层二的孔隙率为5％～30％，优选为5％～25％。