[发明专利]硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及碳质复合材料领域，具体涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。所述硅碳复合材料包含复合碳材料以及分散在其中的纳米硅，所述复合碳材料包括石墨结晶相和无定形碳相，所述复合碳材料中的石墨结晶相含量不小于5重量％，由XRD测得的所述石墨结晶相的(002)面的峰强度I₀₀₂与无定形碳相的峰强度I_amor的比值I₀₀₂/I_amor为0.1～40，石墨结晶相在该复合材料内达到均匀分散，由拉曼数据测得的Id与Ig比值(Id/Ig)的离散系数δ小于0.8。本发明的硅碳复合材料应用在锂离子电池上可使锂离子电池兼具良好的充放电性能以及循环稳定性，提高锂离子电池的使用寿命。

技术领域

本发明涉及碳质复合材料领域，具体涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

在锂离子电池领域，石墨材料因其具有电子电导率高、锂离子扩散系数大、层状结构在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低等特点，成为目前主要的商业化锂离子电池负极材料。

随着锂离子电池负极材料的发展，硅因其高达4200mAh/g的储锂比容量而被认为是最具潜力的替代石墨材料的负极材料。然而，硅负极材料存在严重的体积膨胀问题，这不仅会导致硅负极的颗粒破碎，还会严重影响硅负极材料的循环性能。为了解决硅材料体积膨胀大的问题，目前已开发出一种硅/碳复合材料，通过石墨材料对循环过程中硅材料的体积变化起缓冲作用，改善了硅材料的循环性能。

CN102394288A公开了一种锂离子电池用的硅碳负极材料及其制备方法。该硅碳负极材料由硅碳复合材料与石墨粉组成，硅碳复合材料由包覆有碳材料的纳米硅粉构成，组份具体包括纳米硅粉、碳材料前躯体和石墨粉；纳米硅粉是10～500nm的单质硅粉，石墨粉的粒径为0.5～50μm。该硅碳负极材料的制备方法包括以下步骤：1)将纳米硅粉、包覆层碳材料前躯体在溶剂中搅拌、干燥得到复合物1；2)将复合物1热处理，然后粉碎，得到硅复合材料；3)将硅复合材料洗涤、过滤、干燥、粉碎，得到硅碳复合材料1；4)将硅碳复合材料1、包覆层碳材料前躯体在溶剂中搅拌，干燥得到复合物2；5)将复合物2热处理、粉碎得到硅碳复合材料2；6)将粉碎后硅碳复合材料2和石墨粉均匀混合。所述制备方法工艺繁琐，需要多个混合、碳化步骤，并且无法实现硅碳材料与石墨材料的纳米级混合。

CN102769139A公开了一种高容量锂离子电池负极硅碳复合材料的制备方法，该方法包括：在高温下对天然球形石墨进行膨胀处理，得到微膨胀石墨，然后与纳米硅粉在水中超声分散，接着抽滤、干燥，得到层间插有纳米硅粉的微膨胀石墨，再与碳源前躯体混合包覆，然后碳化烧结。该方法未实现将纳米硅颗粒均匀分散以及有效插入到石墨片层中，并且制得的负极材料循环性能较差，首次库伦效率也较低。

CN103367727A公开了一种锂离子电池硅碳负极材料及其制备方法。该负极材料包括纳米硅、石墨聚合体和有机物裂解碳，所述石墨聚合体由颗粒状石墨组成，纳米硅嵌夹在颗粒状石墨空隙之间或附着在颗粒状石墨的表面，有机物裂解碳包覆纳米硅/石墨聚合体。该材料的制备方法包括：将纳米硅、分散剂、粘结剂和颗粒状石墨在有机溶剂中混合、干燥，得到复合纳米硅/石墨聚合体；将复合纳米硅/石墨聚合体加入至碳源前驱体的分散液中混合，然后干燥、热处理。该制备方法中用到大量的有机溶剂，随之带来操作过程中的安全问题，并且所述方法并未实现添加物石墨的纳米级分散。

为了克服上述缺陷，有必要开发新的硅碳复合材料及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。本发明的硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料可有效提高锂离子电池的电化学性能。