[发明专利]一种硅碳负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，特别涉及一种硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池以其比能量大、工作电压高、自放电率小、体积小、重量轻等优势，自其诞生以来，便给储能领域带来了革命性的变化，被广泛应用于各种便携式电子设备和电动汽车中。然而随着人们生活水平的提高，更高的用户体验对锂离子电池提出了更高的要求：质量更轻、使用时间更长等；为了解决上述问题必须寻找新的性能更加优异的电极材料。

目前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨，但因其理论容量仅为372mAh·g^-1，已不能满足用户的迫切需求；因此，更高比容量的负极材料的开发迫在眉睫。作为锂离子电池负极材料，硅材料一直备受关注。其理论容量为4200mAh·g^-1，是已商业化的石墨容量的10倍以上，且具有低的嵌锂电位、低原子重量、高能量密度、价格较便宜、环境友好等优势，因此是新一代高容量负极材料的最优选择之一。

但是由于硅材料本身导电性能差、且充放电过程中体积膨胀大而容易造成材料结构破坏和机械粉碎，导致其循环性能衰减快，限制了其更广泛的应用。为了解决上述问题，现有技术主要有硅颗粒纳米化、或者在硅碳负极材料表面进行包覆，在限制材料体积膨胀的同时，还能阻隔硅基材料与电解液直接接触，从而在改善电池循环性能的同时，减少充放电过程中硅基材料与电解液之间的副反应。

由于石墨烯材料具有独特的柔性二维平面结构，其本身是一种优良的包覆材料，可以包覆于硅碳负极材料表面。但是其二维片层结构对离子在硅碳负极颗粒内外传输过程中具有明显的阻碍作用，从而影响到硅碳材料动力学性能的发挥。

有鉴于此，确有必要提出一种硅碳负极材料及其制备方法，其既可发挥出石墨烯的最大优势，又能避免其对硅碳材料表面包覆后影响离子在硅碳材料内外的传输。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种硅碳负极材料，包括核结构和壳结构，所述壳结构均匀包覆于所述核结构表面，所述核结构颗粒直径为D1，所述壳结构厚度为h1，所述壳结构中含有石墨烯，所述石墨烯片层厚度h2≤100nm，所述石墨烯片层平面直径d1≤π*D1。从而制备得到电化学性能优良的硅碳负极材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种硅碳负极材料，包括核结构和壳结构，所述壳结构均匀包覆于所述核结构表面，其特征在于，所述核结构颗粒直径为D1，所述壳结构厚度为h1，所述壳结构中含有石墨烯，所述石墨烯片层厚度h2≤100nm，所述石墨烯片层平面直径d1≤π*D1，即此时，石墨烯片层最多将核结构的一半区域包覆住，不会完全封闭离子在硅碳负极材料内外的传输。

作为本发明硅碳负极材料的一种改进，所述核结构为一次颗粒结构或二次颗粒结构或多次颗粒结构；所述核结构中包含硅基负极材料，所述硅基材料包括纯硅、硅氧化物、硅基复合材料、改性硅基材料中的至少一种，还可以包括非硅基负极材料，所述非含硅组分颗粒包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、碳酸锂、非硅合金负极材料中的至少一种。

作为本发明硅碳负极材料的一种改进，所述石墨烯片层平面直径d1≤2πD1/3，当石墨烯包覆在一次颗粒表面时，如果d1＝2πD1/3，那么离子由石墨烯片层边缘扩散至石墨烯片层中心区域时的路径，正好等于离子有核结构表面扩散进入核中心区域的路径，此时石墨烯片层对硅碳负极材料的动力学性能影响较小。

作为本发明硅碳负极材料的一种改进，所述包覆层中，还包含有传统包覆层或/和单体原位聚合得到的聚合物碳化组分。