[发明专利]一种三维导电网络化硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种三维导电网络化硅碳复合材料、其制备方法和应用。本发明通过剪切混合硅纳米材料、细菌纤维素及分散剂，经高温条件下退火处理，制备得到了具有三维导电网络化硅碳复合材料。所得三维导电网络化硅碳复合材料中，硅纳米材料通过分散剂转化的碳壳层与细菌纤维素转化的碳壳层相连，这不仅稳定了硅纳米材料表面固相电解质界面层，还确保了在硅体积变化过程中硅与碳之间有效的电连接，本发明的复合材料非常适合作为锂离子电池负极活性材料，制得的电池具有极其优异的充放电比容量和循环稳定性。本发明的制备方法不仅成本低廉、工艺简单、能耗低，而且可实现规模化生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，尤其涉及一种三维导电网络化硅碳复合材料及其制备方法和在锂离子电池负极材料的应用。

背景技术

硅作为一种可代替石墨的负极活性材料已被应用于二次电池，尤其是锂离子电池中，其具有更高的容量。然而，硅材料在充放电过程中伴有巨大的体积变化，产生的机械应力导致活性材料的粉化和结构崩塌及材料与集流体间的脱离，从而造成容量迅速衰减和电池循环性能降低。此外，由于这种体积膨胀效应，硅在电解液中难以形成稳定的固体电解质界面SEI膜，导致充放电效率降低，加速循环性能的进一步恶化。将硅材料纳米结构化、进而与碳纳米材料结合构筑纳米复合材料可以在一定程度上解决硅在充放电过程中由于体积膨胀效应引起的结构及表界面不稳定性问题，从而改善其充放电、循环性能。然而，目前硅碳复合材料的制备主要依靠高危险性的甲硅烷等气态硅源，或苛刻耗能的复合材料合成过程，材料和方法本身严重制约该类复合材料的性能发挥和实际应用。

因此寻找一种工艺简单、能耗低并可规模化、成本低廉的方法进行硅碳复合材料制备是目前亟待解决的问题。

细菌纤维素是指在不同的条件下，由醋酸菌属(Acetobacter)、土壤杆菌属(Agrobacterium)、根瘤菌属(Rhizobium)和八叠球菌属(Sarcina)等中的某种微生物合成的纤维素的统称。细菌纤维素的合成是一个通过大量多酶复合体系(纤维素合成酶，cellulose synthase，CS)精确调控的多步反应过程，首先是纤维素前体尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphoglucose,UDPGlu)的合成，然后寡聚CS复合物又称末端复合(terminalcomplexe,TC)连续地将吡喃型葡萄糖残基从UDPGlu转移到新生成的多糖链上，形成(1→4)-D-葡聚糖链，并穿过外膜分泌到胞外，最后经多个葡聚糖链装配、结晶与组合形成超分子织态结构。目前，细菌纤维素形成独特的织态结构，并因“纳米效应”而具有高吸水性和高保水性、对液体和气体的高透过率、高湿态强度、尤其在湿态下可原位加工成型等特性，其已在诸多领域得以广泛应用。然而，将其用于制备硅碳复合材料的领域还有待进一步研究。

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三维导电网络化硅碳复合材料及其制备方法和应用。本发明的三维导电网络化硅碳复合材料中，硅纳米材料通过分散剂转化的碳壳层与细菌纤维素转化的碳壳层连接，不仅稳定了硅纳米材料表面固相电解质界面层，还确保了在硅体积变化过程中硅与碳之间有效的电连接，有利于其作为负极活性材料应用于锂离子电池；而且，本发明的制备方法简单、能耗低、成本低，可实现规模化生产，具有广阔的应用前景。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种三维导电网络化硅碳复合材料，所述复合材料包括由第一碳壳包裹硅纳米材料形成的复合颗粒，以及连接在所述复合颗粒之间的第二碳壳；

其中，第一碳壳是碳化的分散剂和/或变性的分散剂；第二碳壳是碳化细菌纤维素和/或变性的细菌纤维素。