[发明专利]一种硅碳复合材料、其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅碳复合材料、其制备方法和应用，该方法包括以下步骤：将玻璃粉末和片层碳材料湿法球磨后得到玻璃和碳材料的均匀混合产物，与镁粉、熔盐均匀混合后压实成锭，发生镁热反应，将反应产物酸洗处理得到夹层状多孔硅/类石墨烯结构复合材料。该发明步骤简单易行,原料来源广泛，最重要的是通过压实过程，将混合物制作成锭之后，再进行镁热反应，大大增加了硅碳负极材料的振实密度，提高了负极材料的体积比容量，同时和石墨等碳材料复合后形成的类似三明治结构也有效地提高了材料的电子电导率，改善了硅基材料与电解液的相容性，从而提高了材料的循环性能和倍率性能，可应用于高功率密度和高能量密度的锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，更具体地，涉及一种硅碳复合材料、其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池由于具有高的能量密度已经成为便携式电子器件的重要储能装置,然而,应用于新兴的电动运输系统中的新型电池相比于传统电池,应具有更高的比容量、能量密度和更好的循环寿命。在众多的锂离子电池负极材料中,硅由于具有异常高的比容量、在地壳中丰富的储量以及发达的制造业工业化基础设施的优势,被认为是最有希望的材料。硅用于锂离子电池的研究历史已经超过30年,但是硅材料的机械粉碎和容量的迅速衰减严重影响了其循环性能,因而限制了硅材料在锂离子电池中的实际应用。碳材料虽然比容量不高但具有极其稳定的循环特性因而是目前市场上的主要负极材料。碳材料具有较高的电子电导率,为复合材料提供较好的电子通道；同时碳与硅材料复合后能缓和硅材料体积形变带来的应力变化。将二者结合制备高比容量且长寿命的锂离子电池用硅/碳复合负极材料受到越来越多的关注。

目前硅碳复合材料主要有包覆型和嵌入型这两种。包覆型的硅碳复合材料是在硅的表面包覆一层碳，从而起到缓冲硅体积效应所引起的相变和提供电子传输通道的作用。根据硅与碳复合的结构不同，包覆型硅碳复合材料又可分为核壳型、纤维型和多孔型三种；将活性硅颗粒嵌入到结构导电碳基体中便得到了嵌入型的硅碳复合材料。但是目前这些制备硅碳复合材料的方法，不仅条件苛刻、成本昂贵，步骤复杂，而且污染严重、涉及很多有毒物质、对人危害性较大。例如文献“硅碳负极材料的制备方法”(CN104103821A)中，首先在化学气相沉积反应室内放置催化剂；加热化学气相沉积反应室，往化学气相沉积反应室内通入反应气体源和载气，将化学气相反应过程中产生的Si-SiOx通过动态旋转的经过羧基化处理的碳基体，制得硅碳负极材料的前驱体。在这里所述反应气体源为SiH₄、SiH₃R、SiH₂R₂、SiHR₃中的一种或几种，进行化学气相沉积。其过程危险系数高，操作难度系数大，成本高，不适合大规模生产。又如专利“一种硅碳负极复合材料的制备方法”(CN201710064083.4)中，通过水热法在硅粉表面包覆碳前驱，再在惰性气氛下煅烧；将煅烧后的材料分散在混合溶液中，高速分散后进行干燥处理；将干燥后的材料用腐蚀液进行腐蚀处理。采用水热法在硅表面包覆碳，不仅不安全，而且产率低，同时用腐蚀液腐蚀得到的多孔硅，其孔道结构杂乱，在循环过程中仍会粉化。还有的利用激光处理对纳米硅进行碳包覆，例如文献“One-Step Synthesis of Si@C Nanoparticles by Laser Pyrolysis:High Capacity AnodeMaterial for Lithium-Ion Batteries(ACS Appl.Mater.Interfaces 2015,7(12):6637-6644)，这种方法需要配备激光处理仪器，要求高要使用乙炔气，对设备要求较高，价格昂贵，无法大规模广泛应用。

另外，以上方法制备得到的复合材料还有存在体积能量密度和功率能量密度低，不能满足电池负极材料的应用要求的缺陷。

发明内容