[发明专利]硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

商业化的锂离子二次电池负极材料多为天然石墨、人造石墨、中间相等各种石墨类材料，用这些材料制备的锂二次电池广泛用于便携式电子设备、储能设备及电动汽车。石墨的理论容量为372mAh/g，虽然目前石墨类负极材料在半电池中的实际脱锂容量高达365mAh/g，但很难进一步提升。以18650锂电池为例，石墨负极已经无法满足3.0Ah以上电池的能量密度要求，这种市场变化要求必需开发一种新型高能量密度的负极材料代替石墨类材料。

作为新型负极材料，硅基复合材料显示出了较高的克容量。单质硅的理论克容量为4200mAh/g，脱锂电位平台0.45V左右，在容量和安全性能上都要优于石墨。但是，硅基材料也存在明显的电性能缺陷，晶体硅作为活性物质，在锂离子脱嵌过程中，存在晶相的转变，会逐渐由晶态硅转变为无定型态硅。当晶态Si完全达到放电状态（Li₂₂Si₅）时体积经历了将近300％变化，因此，首次充放电产生的体积效应对电极结构破坏严重，巨大的体积变化会导致集流体上的活性物质结构破裂、粉化，活性物质从集流体上脱落，电池的循环性能急剧下降。

公开号CN1247388A的发明专利，将纳米硅或无定形硅与弥散剂复合制备了阳极材料，由其制备的锂可逆电池具有较高的可逆容量。但是由于弥散剂含有大量的碳黑，这类阳极材料的组成在实际应用中是不可取的，会消耗较多的电解液及粘结剂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了现有锂离子电池负极材料能量密度低、容量保持率低、电极结构稳定性差或循环性能差等缺陷，而提供了硅碳复合材料及其制备方法和应用。本发明的电池负极材料电极结构稳定、容量保持率高而且循环性能好。

本发明提供了硅碳复合材料的制备方法，其包括下述步骤：

将无定形硅粉、石墨、有机碳源与乙醇溶剂获得的浆料，进行干燥造粒之后在非氧化性气氛条件下热处理，即可得到硅碳复合材料；所述的热处理温度为350℃～600℃；所述的无定形硅粉与石墨的质量比为（1：1）～（1：9）；所述无定形硅粉粒径D50为50nm～1μm。

本发明中，所述非氧化性气氛为本领域中进行该类操作的常规所采用的常规惰性气体，优选氮气、氩气和氢气中的一种或多种。

本发明中，所述的无定形硅粉优选上海杉杉新材料研究院的a-Si-1系列的无定形硅粉，市售可得。所述无定形硅粉粒径优选D50为150nm～500nm，进一步优选的粒径D50为150nm～300nm。

本发明中，所述的石墨为本领域中的常规石墨，优选人造石墨、天然石墨和中间相石墨中的一种或多种，进一步优选人造石墨；优选上海杉杉新材料研究院生产的型号为3H-F3或3HE-F3的石墨，所述的石墨优选粒径D50＜5μm，进一步优选0.5μm～3μm。

本发明中，所述的有机碳源为裂解获得无定形碳的有机碳源，优选糖和/或烷烃类有机酸；所述的糖优选多糖；所述多糖优选醋酸纤维素；所述的烷烃类有机酸优选柠檬酸、月桂酸和硬脂酸中的一种或多种。

本发明中，所述的分散均匀的无定形硅粉、石墨、有机碳源与乙醇溶剂形成的浆料，优选通过使用高速分散机进行搅拌分散，再采用超声波分散仪进行分散获得。所述的高速分散机进行搅拌分散的时间可以根据本领域中该类操作的常规时间，优选0.5h～6h，进一步优选1h～3h。所述的高速分散机和所述的超声波分散仪的处理量均为本领域中进行该类操作的常规处理量，优选0L/H～100L/H，但不为0。其中，所述分散的转速为本领域中进行该类搅拌分散操作的常规转速，优选0rpm～1450rpm，但不为0，进一步优选600rpm～1200rpm；所述的高速分散机为本领域中进行该类操作的常规高速分散机，例如目前市场所售的常规分散设备；所述高速分散机的功率为本领域中进行该类搅拌分散操作的常规功率，优选功率为0kw～140kw，但不为0。所述的超声波分散仪为本领域中进行该类操作的常规超声波分散仪，例如目前市场所售的常规超声波分散仪；其中，所述超声波分散仪的功率为本领域中进行该类搅拌分散操作的常规功率，优选0kw～7.5kw，但不为0，进一步优选5w；所述超声波分散仪的频率为本领域中进行该类搅拌分散操作的常规频率，优选频率为0khz～20khz，但不为0，进一步优选10khz。