[发明专利]一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料，特别涉及一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法。

背景技术

随着社会和科技的发展，锂离子电池负极材料也在不断更新换代。起初，商品化锂离子电池主要采用石墨类碳材料作为负极活性物质。然而，碳类负极材料因其比容量较低(372mAh/g)，不能满足电子设备小型化和车用锂离子电池大功率、高容量等要求，因而需要研发可替代碳材料的具有高能量密度、高安全性能、长循环寿命的新型锂离子电池负极材料。

于是，人们将传统金属硅作为锂离子电池负极材料，其理论比容量可达4200mAh/g，实现了高容量。但其在充放电过程中存在体积膨胀(约300％)，会引起活性颗粒粉化，进而失去电接触而导致容量快速衰减，同时硅材料本身的导电性也较差。

针对以上问题，目前常用的解决方法是将硅进行纳米化，以及将硅与碳进行复合，但纳米化和硅碳复合的方式对材料的性能影响较大。如申请号为200510082822.X的中国专利公开了一种具有球形核壳结构的碳硅复合材料及其制法和用途，其将超细硅粉与硬碳或软碳的前驱体浆料混合，蒸发溶剂干燥，在烧结碳化即得产品。该方法制得的硅碳复合材料，对现有硅碳复合材料循环性能差的缺点有一定的改善，但硬碳或软碳对硅的体积膨胀/收缩并未起到较大的缓冲作用，且硅与软碳或硬碳的接触并不非常紧密，使得硅碳复合材料的循环性能仍然不能满足需求。

又如申请号为201210534860.4的中国专利公开了一种石墨烯包覆硅碳复合负极材料的制备方法，其将纳米硅和石墨微粉加入到氧化石墨烯分散液中，将悬浮液进行喷雾干燥造球，得到类球形前驱体；前驱体在惰性气氛下烧结得到石墨烯包覆硅碳复合材料。该方法制备的硅碳复合材料，纳米硅容易暴露在材料表面，且纳米硅与石墨烯或石墨的接触并不非常紧密，因此对循环性能的改善有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、具有优异循环性能的锂离子电池负极材料，以解决现有技术中因硅体积膨胀导致的电接触性能不佳，循环性能差的技术问题，同时本发明还相应地提出了一种简单易操作的锂离子电池负极材料的制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种锂离子电池硅碳复合负极材料，包括纳米硅、纳米碳和基材，所述纳米硅占所述负极材料总质量的0.1％～90％；以一层纳米硅上叠加一层纳米碳作为一个叠层单元，2～10个所述叠层单元叠加形成多层包覆结构包覆在所述基材表面；

其中，所述基材为碳材料A和/或碳材料B，所述碳材料A选自石墨烯、碳纳米管和碳纤维中的一种或一种以上，所述碳材料B选自天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳和硬碳中的一种或一种以上。

上述负极材料，在上述基材表面包覆一层纳米硅，在纳米硅上包覆一层纳米碳，再在上述纳米碳上依次包覆一层纳米硅和纳米碳，......，重复多次，形成多层包覆结构，通过设计这样的多层包覆结构，将纳米碳作为纳米硅体积膨胀的缓冲体，实现了在提高硅含量的同时，减少了硅膨胀带来的体积膨胀效应，保证了本发明负极材料在具有高容量的同时还具有良好的电接触性能和循环性能。

以及，相应地，一种锂离子电池硅碳复合负极材料的制备方法，其包括以下制备步骤：

纳米硅的包覆：选择上述基材，通过化学气相沉积法将上述纳米硅沉积在所述基材表面，得到产品一；

纳米碳的包覆：通过化学气相沉积法将上述纳米碳沉积在所述产品一表面，得到产品二；

多层纳米硅和纳米碳的包覆：对所述产品二依次重复操作所述纳米硅的包覆步骤和所述纳米碳的包覆步骤，重复次数为1～9次，使得所述基材被上述多层包覆结构包覆，制得粗产品；

分级选择：将所述粗产品进行粉碎、过筛、分级，得到所述锂离子电池硅碳复合负极材料。

上述制备方法简单易控，成本低廉，适于工业化和批量生产。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为锂离子电池硅碳复合负极材料结构1示意图；

图2为锂离子电池硅碳复合负极材料结构2示意图；

图3为锂离子电池硅碳复合负极材料结构3示意图；

图4为锂离子电池硅碳复合负极材料结构4示意图；

图5为实施例1制得的锂离子电池硅碳复合负极材料的SEM图；

图6为实施例2制得的锂离子电池硅碳复合负极材料的SEM图；

图7为实施例3制得的锂离子电池硅碳复合负极材料的SEM图；