[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明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括由上至下相叠的第一二维碳纳米材料层、二维硅纳米材料层和第二二维碳纳米材料层，其制备方法是通过化学气相沉积法或化学组装法将二维碳纳米材料组装于二维硅纳米材料层的上下层面，得到所述硅碳复合材料。该制备方法原材料成本低廉、易得，制备工艺简单、耗能低、可放大，且制备得到的复合材料兼具优异的电子/锂离子传输特性和结构/界面稳定性，作为电池负极材料表现出极优异的充放电比容量和循环稳定性。

技术领域

本发明属于电池制造技术领域，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

随着化石燃料的日益枯竭，以及便携式电子设备和电动交通工具的快速发展，动力源电池等新能源的研究已成为全球关注的焦点，其中锂离子电池因其能量密度高、功率密度高、循环性能好、环境友好、结构多样化及价格低廉等优异特性已得到广泛应用。就锂离子电池的结构而言，其主要由正极、负极、隔膜和电解液构成，而负极材料的电极性能能否进一步提高成为制约锂离子电池性能的决定因素。

针对锂离子动力电池的发展要求，客观上要求负极材料具有高容量、快速率充放电、高热稳定性和低造价等特点。目前实际应用较多的负极材料是碳材料，如天然石墨、石墨化中间相碳微球等，其中石墨负极材料的理论容量为372mAh/g，实际容量在320-350mAh/g，高倍率充放电性能差，限制了锂离子电池在高容量和高功率方面的发展。

硅作为一种非常有发展前景的二次电池负极活性材料——尤其是锂离子电池，相对于石墨具有更高的容量、优异的倍率性能。然而，硅材料在充放电过程中伴有巨大的体积变化，产生的机械应力导致活性材料的粉化和结构崩塌进而导致活性材料之间以及活性材料与集流体之间的脱离，从而造成容量迅速衰减和电池循环性能降低。同时由于硅材料的体积膨胀效应，硅在与电解液接触的界面难以形成稳定的固体电解质界面SEI膜，导致活性材料的消耗和充放电效率降低，进一步加速循环性能的恶化。为了解决上面提及的问题，将硅材料纳米结构化和/或多孔化、进而与碳纳米材料复合构筑硅碳纳米复合材料可在一定程度上解决硅在充放电过程中由于体积膨胀效应引起的结构及表界面不稳定性问题，从而改善其充放电、循环性能。然而，在构筑的硅碳复合材料中，在硅组分和碳组分间必须引入或预留空腔(如经典的蛋黄蛋壳结构/管中线结构)，以缓解硅在充放电过程中极大的体积膨胀，从而有效避免碳组分及其他电极成分的破坏。这种有效的结构设计提升了材料结构和界面稳定性，但是，导致的硅碳相间的非充分接触(点对点接触或线对线接触)，严重阻碍了电子/锂离子传输，遏制了材料储锂性能的提升。

CN102891297A公开了一种锂离子电池用硅碳复合材料及其制备方法，属于锂离子电池领域，其采用羧甲基纤维素钠为粘结剂，利用液相包覆技术进行硅碳复合，同时通过喷雾干燥技术干燥造粒，制备成粒度均匀、性能优异的锂离子电池用硅碳复合材料。该发明采用硅碳复合技术制备锂离子电池复合材料，容量比传统石墨负极材料高，达到500mAh/g以上，能防止硅在充放电过程中引起的粉化现象，有效提高硅碳复合材料的循环性能；且硅碳材料的颗粒均匀，比表面积小，改善硅碳复合材料的循环性能，但是硅碳的非充分接触严重影响了电子/锂离子传输性能，遏制了材料储锂性能的提升。

CN108807896A公开了一种氮掺杂碳包覆硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：以三聚氰胺为氮源，有机酸为碳源，改性石墨烯为导电桥梁，将三聚氰胺、有机酸、改性石墨烯在溶剂中混合，加入硅碳材料，混合干燥；研磨过筛，将物料转移至回转炉中，通入惰性气氛，加热，三聚氰胺与有机酸、改性石墨烯反应后原位生成的功能结构组分包覆在硅碳复合材料表面，得到包覆均一的氮掺杂碳包覆硅碳复合材料。该材料的循环性能提升明显，倍率性能好。而且该方法简单，成本低，非常适合大规模生产运用，但该硅碳复合材料的电子/锂离子传输特性依然有所限制。