[发明专利]一种多孔硅碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，具体地，本发明提供了一种多孔硅/碳负极材料及其制备方法，及其在锂离子电池中的应用。

背景技术

随着移动电子设备的飞速发展，人们对化学电源的性能提出了更高的要求。高功率锂离子电池由于其具有比能量大、单体电压高、自放电小的优点，成为世界各国研发的重点和热点。同时，锂离子电池也存在安全性、成本高、循环寿命下降等问题。因此，如何有效提高锂离子电池的安全性、循环使用寿命、能量密度以及降低其成本，成为锂离子电池技术发展的关键。锂离子电池负极材料作为提高电池能量及循环寿命的重要因素，成为研究人员的关注重点。目前，商用锂离子电池材料广泛使用石墨及改性石墨，但是其理论容量仅为372mAh/g，体积比容量为883mAh/cm³，不能适用当前发展高能量动力锂离子电池的需要。

相对于有较高容量的锗、锡、锑负极材料，硅负极材料的理论比容量更高，达到了4200mAh/g。同时，由于硅相对较低的生产成本，而成为锂离子电池负极研究的重中之重。但是，一方面，硅材料在脱嵌锂过程中体积变化比较大(～300％)，结构稳定性差，容易导致电极材料的粉化脱落失效，造成硅负极材料容量衰减严重。另一方面，硅的导电性较差，影响了其倍率充放电性能。因此，如何有效地抑制硅负极在电池充放电过程中体积膨胀的变化造成锂离子电池内部结构的破坏以及如何有效改善硅基负极材料的导电性，从而达到提高硅基锂离子电池电化学循环性能是本领域亟需解决的问题。

综上所述，本领域尚缺乏一种导电性能好，可用于锂离子电池负极材料制备具有高放电比容量和充放电循环稳定性的电池的硅纳米材料。

发明内容

本发明提供了一种导电性能好，可用于锂离子电池负极材料制备具有高可逆比容量和充放电循环稳定性的电池的硅纳米材料。

本发明的第一方面，提供了一种多孔硅-碳复合材料的制备方法，所述方法包括步骤：

(1)提供一硅-活泼金属合金；

(2)用所述合金与液相造孔剂进行反应,以除去所述活泼金属，得到多孔硅纳米材料；

(3)用氢氟酸溶液清洗所述多孔硅纳米材料以去除氧化硅，得到经氢氟酸清洗处理的多孔硅纳米材料；

(4)将得到的纳米硅材料与聚合物混合并进行球磨，得到多孔纳米硅/聚合物均匀混合物；

(5)将纳米硅/聚合物混合物进行煅烧，得到多孔硅-碳复合材料。

在另一优选例中，所述的硅-活泼金属合金为硅-活泼金属合金碎屑。

在另一优选例中，所述的硅-活泼金属合金碎屑是通过以下方法制备的：

提供一硅-活泼金属合金锭；

利用机械方法将硅-活泼金属合金锭碎化、研磨成碎屑。

在另一优选例中，所述的碎屑的尺寸大小为0.1mm～100mm。

在另一优选例中，在所述合金碎屑中，所述的硅的质量百分比为1-99％，较佳地为10-70％。

在另一优选例中，所述方法还包括：在所述步骤(3)结束后，对所述的多孔纳米硅/聚合物均匀混合物进行洗涤。

在另一优选例中，所述的洗涤为用去离子水和/或酒精洗涤。

在另一优选例中，所述的氢氟酸溶液的质量比为1％～30％。

在另一优选例中，在所述步骤(4)中，球磨转速为300rpm～1500rpm，球磨时间为8h～120h，较佳地为24-72h。

在另一优选例中，在所述步骤(5)中，所述煅烧的温度范围为600～1000℃，较佳地为650～900℃，更佳地为700～850℃。

在另一优选例中，在所述步骤(5)中，所述煅烧过程中，所述的升温速率为以1～10℃/min的速度升温。

在另一优选例中，在所述步骤(5)中，所述的反应时间为0.1～24小时，优选为0.2～12小时，更优选地为0.2～5小时。

在另一优选例中，所述经氢氟酸清洗处理的多孔硅纳米材料是组分和形貌较均一的多孔硅纳米颗粒。

在另一优选例中，在所述步骤(5)中，还包括：对所述的多孔硅-碳复合电极材料进行后处理；较佳地，所述的后处理包括：洗涤、过滤、烘干，或其组合。

在另一优选例中，所述的“除去”指去除至少95％，较佳地至少98％，更佳地至少99％的所述合金碎屑中的活泼金属。

在另一优选例中，所述的活泼金属选自下组：铝、铁、镁、锌、钙、铅，或其组合。

在另一优选例中，所述的合金为铝硅合金。