[发明专利]一种碳‑硅复合材料、其制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池新型负极材料领域，涉及一种碳-硅复合材料、其制备方法及用途，尤其涉及一种碳-硅复合材料、利用金属催化化学气相沉积的制备方法及在锂离子电池的用途。

背景技术

锂离子电池在可移动电子设备、电动汽车以及大规模储能领域有巨大的应用前景及广泛的需求。传统锂离子电池体系选择的负极材料主要为石墨类材料。石墨类材料理论比容量较低，仅为372mAh·g^-1，难以满足新型锂离子电池对高能量密度的要求。因此开发新的高容量锂离子电池负极材料至关重要。

硅因具备极高的理论比容量(4200mAh/g)、适宜的脱嵌锂电位而被做为新一代锂离子电池负极材料引起了广泛关注和研究兴趣。硅在充放电过程中极大的体积变化率(>300％)导致的首次库仑效率低、循环性能差等缺点成为制约硅基锂离子电池负极材料商业运用的主要障碍。

传统的通过化学气相沉积法制备纳米硅的方法里，硅源在分解后容易在碳基底材料上发生团聚形成微米级别的颗粒状或线状产物，失去纳米硅的独特优势，且直接使用纳米硅制硅碳负极材料时纳米硅很难均匀的分散在整个体系中，造成充放电过程中极片膨胀率过大进而使材料性能劣化。

CN 104103821B公开了一种硅碳负极的制备方法，该方法使用金属作为催化剂，先通过催化硅源分解制Si-SiO_x，再通过载气将反应制得的Si-SiO_x同羰基官能团修饰的碳基底材料复合。这种方法可以制得高比容量的纳米硅，但是硅无法充分的均匀分布在碳基底所有表界面，造成循环性能劣化、材料体积膨胀率过高等隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种碳-硅复合材料、其制备方法及用途。本发明的碳-硅复合材料中纳米级的硅颗粒和/或硅薄膜均匀且紧密地附着在碳基底材料的表界面，硅碳复合程度高，对本发明的碳-硅复合材料、包覆型碳硅复合材料和堆积型碳硅复合材料进行半电池测试，结果显示，这三种复合材料的首次可逆比容量在430mAh/g～1350mAh/g，首次库仑效率达到90％以上，而且，对于包覆型碳硅复合材料和堆积型碳硅复合材料，50周容量保持率在95％以上。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种碳-硅复合材料，所述碳-硅复合材料包括碳基底、催化剂以及均匀附着在碳基底上的纳米级的硅颗粒和/或硅薄膜。

本发明所述“纳米级的硅颗粒和/或硅薄膜”指：可以是纳米级的硅颗粒，也可以是纳米级的硅薄膜，还可以是纳米级的硅颗粒和纳米级的硅薄膜的混合物。

优选地，所述碳基底为无机碳材料，优选为天然球形石墨、天然鳞片石墨、人造石墨、软碳、硬碳、中间相碳微球、石墨烯、导电石墨或碳纳米管中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述催化剂为过渡金属单质和/或过渡金属化合物。

本发明所述“过渡金属单质和/或过渡金属化合物”指：可以是过渡金属单质，也可以是过渡金属化合物，还可以是过渡金属单质和过渡金属化合物的混合物。

优选地，所述催化剂为氯化铁、氯化亚铁、氯化铜、氯化镍、硝酸铁、硝酸镍、硝酸铜、醋酸铁、醋酸铜、醋酸镍、铁单质、铜单质或镍单质中的任意一种或至少两种的组合。

优选地，所述硅颗粒的直径为1nm～200nm，例如为1nm、3nm、5nm、10nm、15nm、20nm、30nm、35nm、45nm、50nm、60nm、70nm、75nm、80nm、90nm、95nm、105nm、110nm、120nm、125nm、135nm、150nm、170nm、180nm或200nm等，优选为1nm～50nm。

优选地，所述硅薄膜的厚度为1nm～200nm，例如为2nm、5nm、8nm、13nm、18nm、25nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、145nm、150nm、165nm、185nm或200nm等。

优选地，以所述碳-硅复合材料的总质量为100％计，所述纳米级的硅颗粒和/或硅薄膜的质量百分含量(记为硅含量)为1％～80％，例如为1％、5％、10％、15％、20％、30％、40％、45％、50％、60％、65％、70％、75％或80％等。

第二方面，本发明提供如第一方面所述的碳-硅复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)配制有机添加剂和催化剂的分散液；