[发明专利]一种锂离子电池用纳米硅复合负极材料

说明书

本发明涉及一种锂离子电池用纳米硅复合负极材料，所述复合负极材料为“鸡蛋”模型结构，蛋黄为石墨基体、均匀分散在石墨基体内部及其表面的纳米硅材料，蛋白为均匀分散在石墨基体及纳米硅表面的石墨烯，蛋壳为导电碳包覆层。本发明结合纳米复合、表面改性及表面包覆技术，制备了具有“鸡蛋”模型结构的硅合金负极材料，具有高比容量、高首次充放电效率及优异的循环稳定性。本发明制备工艺简单、环境友好无污染。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种锂离子电池用纳米硅复合负极材料及其制备方法，以及使用该负极材料制备的锂离子电池。

背景技术

目前随着全球性石油资源紧缺与气候环境的不断恶化，发展清洁节能的新能源汽车受到世界各国的高度重视。新能源汽车的发展，关键在其动力电源。目前，商业化的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，但它的理论比容量仅为372mAh/g，无法满足未来锂离子电池对高能量密度的需求。所以开发高性能新型电极材料成为研究重点。

硅具有超高的理论比容量（4200mAh/g）和较低的脱锂电位（<0.5V）,且硅的电压平台略高于石墨，在充电时难引起表面析锂，安全性能更好，硅成为锂离子电池碳基负极换代的富有潜力的选择之一，但硅作为锂离子电池负极材料也有缺点：（1）硅材料在充放电过程中容易发生体积膨胀，导致导电网络崩塌，影响电循环性能；（2）硅是半导体材料，自身的电导率较低，在充放电循环过程中，锂离子的脱嵌会导致材料发生300%以上的体积膨胀和收缩，从而造成材料结构的破坏和粉化，致使容量迅速衰减，循环性能恶化。（3）硅材料在循环过程中易腐蚀，容量衰减；（4）由于硅材料的体积效应，在电解液中难以形成稳定的固态电解质界面（SEI）膜，伴随着电极结构的破坏，在暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，加剧了硅的腐蚀和容量衰减。

分析认为硅材料在脱嵌锂过程中体积膨胀收缩较大是造成材料破坏和粉碎，是导致容量衰减较快的主要原因。如CN 103474667A公开了一种硅碳复合负极材料，包括纳米硅/石墨颗粒，第一碳包覆层和有机裂解层，其中纳米硅/石墨颗粒是以石墨为内核，包覆纳米硅颗粒层，形成的球状或类球状的复合颗粒。

CN 104617269公开了一种硅合金复合负极材料，使用石墨与涂覆在石墨表面的硅合金为内核，外壳为裂解碳，结合纳米复合、表面改性及包覆改性技术，制备了具有核壳结构的硅合金复合负极材料，该负极材料压实密度高、加工性能好、导电性高、首次效率高、循环性能优越。但该方法制备出的复合材料金属杂质含量偏高，易发生自放电，并且高温存储差。

CN 105070894 A 公开了一种锂离子电池用多孔硅基复合负极材料，所述负极材料为胶囊结构，囊芯为非晶态多孔硅，囊壁为导电碳材料，非晶态多孔硅的粒径为10-300nm，非晶态多孔硅的孔径为0.5～100nm，所述囊壁的厚度为0.5-10μm，该方法制备的复合材料比容量高，膨胀低，加工性能优良。但该方法制备出的复合材料内部孔隙较多，振实密度较低，体积能量密度不高。

因此，开发一种工艺简单，性能优异且环境友好的纳米硅基复合负极材料的制备方法是锂离子电池领域的重要研究方向。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种锂离子电池用纳米硅复合负极材料，其特征在于，所述纳米硅复合负极材料为“鸡蛋”模型结构，蛋黄为石墨基体、分散在石墨内部及其表面的纳米硅，蛋白为均匀分散在石墨基体及纳米硅表面的石墨烯，蛋壳为导电碳包覆层。

优选地，所述蛋壳采用裂解碳制成。

优选地，所述裂解碳为有机物裂解碳，优选为聚合物、沥青、糖类和高分子材料中的一种或至少两种的组合，进一步优选为沥青、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯腈、聚环氧乙烷中的一种或至少两种的组合。

优选地，所述蛋黄中的纳米硅为多晶硅、单晶硅、非晶硅，优选为，单分散的多晶硅或单晶硅颗粒。