[发明专利]一种锂离子电池纳米硅/多孔碳复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种锂离子电池纳米硅/多孔碳复合负极材料及其制备方法和应用，复合负极材料是由多孔纳米硅颗粒内核及多孔碳层外壳构成的核壳结构材料，其制备方法是在铝硅合金粉末表面包覆有机聚合物层后，进行碳化处理，碳化产物通过酸刻蚀以去除铝且对碳层造孔，即得纳米硅/多孔碳复合负极材料；该制备方法简单、低成本，满足大规模生产，且制备的复合负极材料可以制备锂离子电池，表现出较高的容量、优异的循环与倍率性能。

技术领域

本发明涉及一种硅碳复合材料，特别涉及一种具有核壳结构的纳米硅/多孔碳复合负极材料，及其在制备容量高、倍率性能优异的锂离子电池中的应用；属于电池材料技术领域。

背景技术

随着人口的急速膨胀和经济的高速发展，以锂离子电池为主要表现形式的电化学储能，以其环境友好、循环寿命长、自放电小、能量密度高及高电压等特点受到极大关注，已在各类便携式电子产品中得到广泛应用。然而受到现有石墨负极材料储锂机制及低容量的影响，目前商用锂离子电池难以满足诸如电动汽车等对高能量密度的使用需求。硅是已知理论容量最高的负极材料(4200mAh/g)，远高于商用石墨负极材料(372mAh/g)，同时具有较丰富的地壳储量与合适的工作电压，被认为是最有潜力的高容量负极材料之一。

然而，硅作为半导体，对锂离子和电子的传导能力较差，且硅与锂合金化反应导致充放电过程中颗粒体积膨胀高达～300％，极易导致电极结构破坏，电池容量衰减剧烈。以上问题严重限制了硅负极材料的规模化应用。将硅颗粒减小到纳米尺寸，如100nm以下，并与导电碳材料复合已被证明可有效改善其电化学性能，也是目前高性能硅负极材料研究所采取的主流方式。

目前纳米硅颗粒制备主要通过高温镁热还原石英(二氧化硅)制备硅块，并进一步通过激光烧蚀、气相沉积或磁控溅射等方法合成纳米硅，该工艺路线合成方法繁琐、成本高、且往往对设备有较高要求。而在硅/碳复合材料制备方面，往往直接采用硅纳米颗粒与碳前驱体进行复合，复合过程碳材料完全包覆硅颗粒，一方面可以提高硅负极导电性，但同时也在一定程度上阻碍了锂离子与硅材料电化学反应的速度。

公开号为CN105655555A的中国专利文献公开了一种锂离子电池硅碳复合负极材料的制备方法，将硅金属合金材料与石墨混合，经过两道酸洗制得多孔硅/碳复合材料，多孔硅/碳复合材料与有机碳源混合，经热处理制得硅碳复合材料，一定程度上提升了硅基材料的电化学性能，但是受复合物中碳材料密实结构影响，复合材料首次放电容量和首次库伦效率较低、倍率性能差，整体电化学性能有待进一步提高。

发明内容

针对现有硅/碳复合材料存在首次库伦效率低、倍率性能差等问题，本发明的目的旨在提供一种具有特殊核壳结构，能有效缓解充放电过程中硅体积变化，且提高硅导电性及电化学反应活性的纳米硅/多孔碳复合负极材料。

本发明的第二个目的是在于提供一种操作简易、能耗低和易于大规模生产的制备锂离子电池纳米硅/多孔碳复合负极材料的方法。

本发明的第三个目的是在于提供所述纳米硅/多孔碳复合负极材料在锂离子电池中的应用，将其制备锂离子电池负极能显著提高锂离子电池的首次库伦效率、改善倍率性能等性能。

为实现上述技术目的，本发明提供了一种锂离子电池纳米硅/多孔碳复合负极材料，该材料是由多孔纳米硅颗粒内核及多孔碳层外壳构成的核壳结构材料。

本发明的纳米硅/多孔碳复合负极材料具有特殊的核壳结构，其内核为多孔纳米硅，外壳为多孔碳层，外壳多孔碳层不但为内核纳米硅在充放电过程中的体积膨胀提供缓冲空间，而且提高了纳米硅的导电性，同时内核纳米硅具有多孔结构，其比表面大，电化学活性高，而外壳碳层具有多孔，能提供锂离子通道，有利于提高电化学反应速率，从而改善负极材料的电化学性能。

优选的方案，所述核壳结构材料的外径为30～120nm。

优选的方案，所述多孔碳层外壳的厚度为1～10nm。