[发明专利]一种高容量硅碳复合负极材料及其制备方法和其应用

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种高容量硅碳复合材料及其制备方法和其应用。

背景技术

石墨类负极材料具有高的循环效率和良好的循环性能，已被广泛应用于制备锂离子电池负极材料。但是，石墨类负极材料存在储锂容量较低，理论比容量仅有372mAh·g^-1等缺陷。为此，需要开发新型负极材料以提高锂离子电池的电化学性能。

目前，高容量复合负极材料的研究(王保峰，杨军et al.锂离子电池用硅/碳复合负极材料[J]，ACTA CHIMICA SINICA，2003，61(10)：1572-1576)主要集中在硅(理论容量为4200mAh·g^-1)、Sn(理论容量990mAh·g^-1)、Sb(理论容量536mAh·g^-1)、Al(理论容量400mAh·g^-1)等可逆脱嵌锂的金属复合材料或非金属复合材料，这些复合负极材料的可逆脱锂嵌锂容量远远大于石墨，但其在嵌锂、脱锂的循环过程中需要经历严重的体积膨胀和收缩，导致活性材料与集流体的电接触性变差，进而导致材料的容量及循环性能变差，制成的电池寿命较短，从而阻碍了这些复合材料的实用化。为此，研究人员采用一些改进方法来提高复合负极材料的容量并改善循环稳定性，例如，王保峰，杨军等(锂离子电池用硅/碳复合负极材料[J]，ACTA CHIMICA SINICA，2003，61(10)：1572-1576)公开了一种制备降低合金颗粒粒径的方法，该方法将合金颗粒的粒径范围控制为亚微米级或纳米级，以降低合金的相对体积效应；CN1402366A公开了一种复合材料，所述复合材料中包含SiOx、Si-Ag、Si-Al、Sn-Cu等多种成份，其中，0＜x＜2，该复合材料采用多相掺杂复合、分步完成嵌脱锂的方法制备得到；Yoshio，M.等人(Electrochem.Soc，2002，149(A1598.))采用气相沉积法在硅的表面包覆碳，以提高复合材料的导电性和循环性能；但该方法存在对设备的要求较高，难于得到性能均一的产品，规模化生产存在困难等缺陷。CN101439972A公开了一种含有纳米硅/碳纳米管复合颗粒和无定形炭的硅碳复合材料，所述无定形炭包覆在复合颗粒表面，该复合材料制备的负极制成的电池具有较低的首次不可逆比容量、较高的比容量和优异的循环性能，但其原料碳纳米管存在资源短缺、价格昂贵等缺陷，导致复合材料的制造成本太高而影响其实用性和产业化。CN101153358A公开了一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，包括下述步骤，1)采用具有导电性和电化学活性的高分子聚合物对纳米级的硅粉进行处理，在纳米硅粉的表面形成一层导电膜；2)将粘结剂沥青溶于有机溶剂中，再将其与步骤1)制得的包覆有导电膜的纳米硅粉充分搅拌均匀，再加入球形石墨，搅拌均匀后蒸去溶剂，在球形石墨表面形成含硅包覆层；3)在惰性气体的保护下，对步骤2)制得的材料进行碳化处理，在石墨表面的含硅包覆层中产生闭孔；4)将沥青溶于有机溶剂中，缓慢加入步骤3)制得的材料，搅拌均匀后蒸去溶剂，在硅包覆层外面再包覆沥青；5)在惰性气体的保护下，对步骤4)制得的材料进行碳化处理，即得。该方法制得的硅碳复合材料具有较高的容量和较好的循环性能，但其制备过程较为复杂。为此，需要研究具有优异的脱嵌锂性能，具有改良循环性能和稳定性的复合材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种硅碳复合材料，其特征在于，以硅碳复合材料中各成分的重量份计，硅材料为1-30份，碳材料为30-120份，热解碳为10-80份。

本发明的优选技术方案中，以硅碳复合材料中各成分的重量份计，硅材料为5-15份，碳材料为60-80份，热解碳为15-25份。

本发明的优选技术方案中，所述硅材料为纳米硅，优选为纳米单质硅。

本发明的优选技术方案中，所述硅材料的粒径为20-100nm，优选为30-80nm。

本发明的优选技术方案中，所述的碳材料选自天然石墨、人造石墨的任一种或其组合，优选为人造石墨，更优选为中间相炭微球。

本发明的优选技术方案中，所述碳材料的中位粒径(D₅₀)为1-100μm，优选为10-40μm，更优选为10-20μm。

本发明的优选技术方案中，所述碳材料中的固定碳含量不低于99.0％，优选为99.0-99.9％。

本发明的优选技术方案中，所述的“热解碳”是指热解碳前躯体有机物(又称“热解碳前躯体”)经过焙烧炭化以后的无定形炭。