[发明专利]一种嵌入式硅碳复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及锂离子电池领域，特别公开了一种嵌入式硅碳复合材料的制备方法及其应用。该嵌入式硅碳复合材料的制备方法，其特征为：将树脂搅拌溶解于无水乙醇中，并加入固化剂搅拌均匀，最后加入硅粉，搅拌均匀；将沥青置于烧杯中，加入溶剂加热搅拌，直至沥青完全熔化；将上述物料混合，迅速转移至密闭的反应釜中，边加热边搅拌，并检测泄压，直至没有挥发分挥发，物料固化；将固化的物料在惰性气氛下进行烧结碳化，得到最终产物。本发明产品性能好，制作简单，环保无污染，提高了硅的循环性能，抑制了硅的体积膨胀，实现了硅碳的多元复合。

（一）技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种嵌入式硅碳复合材料的制备方法及其应用。

（二）背景技术

自1992年锂离子电池实现商品化以来，锂电池的应用范围逐渐扩大，从便携式电子产品到军事装备，再到新能源的利用，无不有着锂电池的身影。锂离子电池与传统的二次电池相比具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应、无污染和自放电小等优点，应用越来越广泛。由于便携式电子设备和电动汽车的快速发展和广泛应用，对于高比能量、长循环寿命、快速充放电的锂离子电池的需求十分迫切。

随着科技的发展和能源危机的加重，人们对高容量、高能量密度的锂电池更加青睐，而负极材料作为锂电池的重要组成部分，已成为各国研究的重点。传统的锂电池负极是碳类材料，理论比容量为372mAh/G，储锂容量较低，并且嵌锂电位接近金属锂的析出电位，高倍率充电时存在安全隐患。硅作为一种能与锂合金化的金属成为人们研究和关注的对象是因为硅的理论容量为4200mAh/G(Li22Si5)，比碳类材料的11倍还多，并且其嵌锂电位低于锂的析出电位，提高了高倍率充电下的安全性。但是在脱嵌锂的过程中，硅会发生结构的变化，形成严重的体积膨胀和收缩(最高可达300%以上)，导致活性物质容易粉化，与集流体之间电接触恶化，进而造成首次不可逆容量高、循环稳定性差等问题。目前解决硅体积效应的思路主要有两个硅纳米化和硅复合化。硅纳米化主要包括采用纳米硅粉或纳米硅线，采用射频磁控溅射方法或化学气象沉积的方法直接在集流体上沉积一层纳米硅膜，以及采用高能球磨法将硅粉纳米化等。采用该种思路改善硅的循环稳定性对设备要求比较高，生产成本较高，并且纳米级的硅在循环过程中容易发生团聚和电化学烧蚀的现象，对硅负极性能改善有限。硅复合化主要包括硅与金属合金化，如硅-镍合金、硅-铜合金、硅-钴合金、硅-锡合金、硅-铝合金等，硅与碳复合化，如采用热还原方法制备硅碳复合材料，以及采用沥青做碳源包覆改性等。硅复合化可以引入缓冲介质，在一定程度上减缓硅的体积效应，改善硅负极的循环性能，但效果依然不是很理想，不能满足需求。另外一些研究人员从电极结构和粘结剂着手，通过改变电极结构和粘结剂来改善硅负极的循环性能，但成效不是很显著。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种步骤简单、循环性能好、环保无污染的嵌入式硅碳复合材料的制备方法及其应用。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种嵌入式硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）将树脂搅拌溶解于无水乙醇中，并加入固化剂搅拌均匀，最后加入硅粉，搅拌均匀；

（2）将沥青置于烧杯中，加入溶剂加热搅拌，直至沥青完全熔化；

（3）将步骤（1）和（2）中的物料混合，迅速转移至密闭的反应釜中，边加热边搅拌，反应釜温度为80-110℃，当温度过高、压力过大时，打开反应釜出气口泄压，然后迅速关闭，防止接触空气，如此反复，直至没有挥发分挥发，物料固化；

（4）将固化的物料在惰性气氛下进行烧结碳化，得到最终产物，即硅碳复合材料。

本发明采用采用沥青包覆法制得硅碳复合材料，将纳米硅包覆进碳中，提供了一种能有效延长硅碳负极材料的衰减速度、改善硅碳负极材料循环性能的锂离子电池的硅碳负极材料。

本发明的更优技术方案为：