[发明专利]硅碳复合材料及制备方法、电池负极材料和电池

说明书

本发明提供了一种硅碳复合材料及制备方法、电池负极材料和电池，涉及电池技术领域，硅碳复合材料为空心微球结构，包括外壳和空腔，外壳包覆空腔，外壳主要由硅和碳复合而成，且外壳的外径为1‑10μm，外壳的内径为0.1‑5μm，外壳的壁厚为0.1‑3μm，缓解了单质硅导电性差，且充放电过程中存在较大体积变化，导致循环性能差的技术问题。本发明提供的硅碳复合材料不仅能够通过空腔为硅在充放电过程中产生的体积变化提供空间，从而有效缓解硅在充放电过程中体积膨胀和结构坍塌问题，提高电池的循环稳定性和电池容量；而且还能通过硅碳协同作用，提高复合材料的导电性能。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种硅碳复合材料及制备方法、电池负极材料和电池。

背景技术

目前实际应用中的锂离子电池负极材料仍以传统的石墨材料为主，其实际比容量已经接近其372mAh/g的理论值，已经很难将容量做进一步的提升。

为进一步提升锂离子电池的能量密度，满足日益增长的动力电池需求，开发新的负极材料体系势在必行。单质硅具有非常高的比容量(4200mAh/g)和适中的电压平台(0.4Vvs Li/Li⁺)，其比容量几乎是天然石墨的理论比容量的十倍以上，是具有较好应用前景的负极材料，已成为当前研究的热点。

但是，单质硅导电性差，且在充放电过程中存在较大的体积变化，导致材料容易结构坍塌、粉化、进而从集流体脱落，使得充放电循环过程中的比容量急剧衰减。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种硅碳复合材料，以缓解单质硅导电性差，且在充放电过程中存在较大的体积变化，导致材料容易结构坍塌、粉化、进而从集流体脱落，使得充放电循环过程中的比容量急剧衰减的技术问题。

本发明提供的硅碳复合材料，所述硅碳复合材料为空心微球结构，所述空心微球包括外壳和空腔，所述外壳包覆所述空腔，所述外壳包括硅和碳。

进一步的，所述外壳的外径为1-10μm，所述外壳的内径为 0.1-5μm，所述外壳的壁厚为0.1-3μm。

进一步的，所述外壳中硅含量为30-90wt％。

本发明的目的之二在于提供一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(a)提供SiO₂溶胶和含有C元素的单体的溶液，并使其形成含有SiO₂和聚合物的实心微球；

(b)将所述实心微球进行烧结，得到具有空腔的SiO₂/C微球；

(c)将SiO₂/C微球还原为具有空心微球结构的硅碳复合材料，其中，所述空心微球包括外壳和空腔，所述外壳包覆所述空腔，所述外壳包括硅和碳。

进一步的，所述聚合物为共聚物，所述单体包括第一单体和第二单体，其中，

在步骤(a)中，先将SiO₂溶胶分散在第一单体溶液中，然后加入第二单体进行共聚，得到含有SiO₂和聚合物的实心微球，其中，第一单体和/或第二单体中含有C元素；

优选地，所述第一单体选自尿素、三聚氰胺、苯酚、间苯二酚和 3-氨基苯酚中的至少一种；和/或

优选地，所述第二单体选自C1-C6的低碳醛中的至少一种；

进一步的，在步骤(b)中，进行烧结时，先以2-5℃/min的升温速率将温度由室温升温至180-220℃，然后以0.5-1℃/min的升温速率升温至330-380℃，然再以2-5℃/min的升温速率升温至700-800℃并保温6-10小时。