[发明专利]硅碳负极材料及其制备方法、应用和制得的锂离子电池

说明书

本发明公开了一种硅碳负极材料及其制备方法、应用和制得的锂离子电池。该制备方法包括以下步骤：在氮气气氛下，将混合物进行热处理、破碎处理后得中值粒径为1～10μm的颗粒；混合物包括氧化亚硅和铝粉，氧化亚硅与铝粉的中值粒径比值为0.2～80，铝粉占混合物的重量百分比为1～20％；将气态碳源与所得颗粒进行气相沉积反应，冷却即得硅碳负极材料；硅碳负极材料的碳含量为0.5～10wt％。本发明的碳硅负极材料的晶相分布均匀且杂相很少，并且具有较好的导电特性制得的锂离子电池具有较高的首次可逆比容量低、较高的首次库伦效率、较低的满电膨胀率以及较高的50周容量保持率。本发明的制备方法简单，成本低廉，易于实现规模化生产。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及一种硅碳负极材料及其制备方法、应用和制得的锂离子电池。

背景技术

开发和研究新型高容量动力电池负极材料可以解决目前电动汽车(EV)续航里程的短板，有利于新能源汽车的进一步推广。氧化亚硅材料中含有硅氧化合物，嵌锂过程中生成的Li₄SiO₄可以作为缓冲物质，因而一般认为其作为负极材料的循环特性优于纯硅。但也是由于硅氧化合物与锂离子的反应消耗了部分正极的锂，因而首次充放电效率(即首次库伦效率)较低是其短板。

中国发明专利申请CN103022446A，公布了一种由氧化硅、多孔石墨、金属还原剂为原料，通过金属与氧化硅反应生成硅，从而提升材料首次充放电效率的方法。但由于其核心机理是借助于硅氧化合物与金属还原剂的反应而调整材料结构，金属粉难以与材料获得均匀接触，所生成的硅颗粒尺寸较大；合成过程中加入了大量有机碳源，还原反应的程度、经反应后物相组成及硅的分布均匀性都难以控制，所述制备方法得到的材料并未实质性解决硅材料导电性差的缺陷，因而难以直接应用于锂离子电池体系。虽然该篇专利申请中提及了体积膨胀效应大大降低，但由于合金还原所生成的硅酸盐类，导电性差，锂离子扩散系数低，一般需要再经过酸洗去处，工艺复杂，且去除后形成单质硅，没有了缓冲介质，其膨胀并不能得到改善。

为了将SiOx作为高容量负极材料获得工业化应用，目前急需一种针对该材料的改性方法，能够显著降低硅氧负极在充放电过程中的不可逆反应，进而提升首次库伦效率，同时需要获得较好的循环特性。

莫来石是一系列由铝硅酸盐组成的矿物统称，莫来石的晶相结构是由[AlO₄]和[SiO₄]的四面体沿C轴无序排列组成双链，双链间由[AlO₆]八面体连接。莫来石的特性取决于其微观组成，而这又取决于其合成工艺。现有市售莫来石一般以α-Al₂O₃和SiO₂或硅灰石为原料，其合成温度高于1600℃，所得产物的晶相分布较宽且杂相较多杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有的锂离子电池的首次可逆比容量低、首次库伦效率较低、满电膨胀较高的缺陷，而提供了一种硅碳负极材料及其制备方法、应用和制得的锂离子电池。本发明所述碳硅负极材料的晶相分布均匀且杂相很少，并且具有较好的导电特性。由本发明中的硅碳负极材料制得的锂离子电池具有较高的首次可逆比容量低、较高的首次库伦效率、较低的满电膨胀率以及较高的50周容量保持率。本发明的制备方法简单，成本低廉，易于实现规模化生产。