[发明专利]核壳结构硅碳负极材料及制备方法和负极片

说明书

本发明提供的C包覆Si球套球碳硅负极材料以多孔硅空心球为核，基于其多孔通道、空心结构结合碳壳层与核之间的间隙能够充分地缓解充放电过程中的体积变化，保持结构的稳固，确保循环的稳定性；硅核的空心和多孔结构使得锂离子能够同时进行从空心球外部至内部的嵌入和从空心球内部至外部的脱出，增强锂离子的扩散，同时该材料制备过程中避免生成SiC，保证材料的电子和离子导电性，有效提升倍率性能。采用本发明的碳硅负极材料作为电池的负极具有较高的电池容量，较长的循环寿命和较好的倍率性能。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，特别涉及一种核壳结构硅碳负极材料、其制备方法和采用得到的该核壳结构硅碳负极材料制成的负极片。

背景技术

硅基负极材料由于具有高容量(Li₂₂Si₅最高4200mAh/g)，低脱嵌锂电压、与电解液反应活性低，环境友好等优点,有望成为替代目前商业化的石墨负极材料。但在实际应用当中，由于其本身的低电导率和巨大的体积效应，易导致材料在脱嵌锂过程中结构崩塌并与集流体脱落，使得循环稳定性迅速下降。另外，硅的本征电导率很低，严重地限制了其倍率性能。现有改进的纳米化和碳包覆的中空核壳结构Si/C循环稳定性好，但更高的电流密度下，充放电时间更短，只能进行浅充浅放，造成了一定的容量损失。在制备方法方面，镁热还原反应已经被证明能够成功的制备各种硅基材料，但将SiO₂/C镁热还原，会很容易产生导电性很差的SiC，且SiC对锂离子也没有活性，所以得到的锂离子电池性能往往很难让人满意。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种改进的核壳结构硅碳负极材料及制备方法，得到具有较高的电池容量，较长的循环寿命和较好的倍率性能的锂离子电池负极材料，同时成型工艺简单、加工成本低，适合工业化生产。

本发明提供的技术方案为：一种核壳结构硅碳负极材料，包括多孔硅空心球构成的核以及包覆所述核的碳壳层，所述核的外侧与所述碳壳层的内侧存在间隙。

进一步地，所述碳的质量分数为5％-89％，优选地为10％-50％，最优值为12.8％。

本发明提供一种核壳结构硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用SiO₂、铝盐反应生成A1(OH)₃包覆SiO₂的双层核壳结构产物；

步骤2：将A1(OH)₃包覆SiO₂产物进行碳层或碳前驱体层包覆处理，得到C包覆A1₂O₃包覆SiO₂的三层核壳结构前驱体；通常在高温下进行，如800℃条件下；

步骤3：将C包覆A1₂O₃包覆SiO₂前驱体置于酸溶液中反应去除包覆的A1₂O₃层，得到C包覆SiO₂的具有空隙夹层的双层核壳结构中间体；

步骤4：通过镁热还原反应、酸处理将中间体生成C包覆Si的球套球碳硅负极材料，其中所述Si为多孔硅空心球。

进一步地，所述C包覆Si碳硅负极材料为具有空隙夹层的双层核壳结构，其中碳的质量分数为5％-89％。

进一步地，所述SiO₂为介孔二氧化硅空心球，其粒径为10nm-1000nm，优选的为200nm-600nm，最优范围为400nm-500nm。

进一步地，所述铝盐包括氯化铝、硫酸铝、偏铝酸钠、硫酸钾铝、硝酸铝中的一种或任意组合。

进一步地，所述碳层为无定性碳、石墨炭、石墨烯中的一种或任意组合。