[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将氧化亚硅原料分散至含分散剂、金属催化剂和溶剂的混合溶液中，置于砂磨机中进行纳米化处理，然后经烘干、破碎处理后，得到氧化亚硅纳米颗粒；(2)将所述氧化亚硅纳米颗粒与沥青按质量比20:(1‑4)混合，于惰性气体环境下，在反应釜中经加热搅拌后，形成前驱体；(3)将所述前驱体置于管式炉中，于惰性气体环境下，经高温烧结后，得到硅碳复合材料粗品；(4)对所述硅碳复合材料粗品进行酸处理，然后水洗至中性，经烘干后收集得到硅碳复合材料。该制备方法工艺精简，可以用于工业化生产；所述硅碳复合材料导电性良好，具有良好的循环稳定性能。本发明还提供了硅碳复合材料极其应用。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料领域，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

锂离子电池因其具有比能量大、自放电小、工作电压高、无记忆效应和绿色环保等优异性能成为当下新能源领域的研究热点。目前，应用于商业生产的锂离子电池负极材料主要为具有较低而且平稳的工作电位和良好循环性能的碳素材料。但是碳材料的比容量偏低，而锂离子电池负极材料的储锂容量又是制约其应用范围的关键因素。

硅具有较大的理论比容量(4200mAh/g)，比石墨类负极材料的比容量(372mAh/g)高一个数量级，同时具有较低的嵌锂电位(0.4V vs Li/Li⁺)。然而，硅在与锂的合金化反应过程中，硅材料会产生剧烈的体积膨胀(体积变化率达到270％～300％)，容易导致活性材料在循环过程中发生结构破坏和粉化脱落，同时也会使得硅材料在电解液中无法形成稳定的表面固体电解质膜即SEI膜，电极结构被破坏后新暴露出的硅表面会再次形成新的SEI膜，从而导致充放电效率降低，加速容量衰减。另一方面，硅的本征电导率低，制约锂离子迁移速率，导致材料倍率性能差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种硅碳复合材料及其制备方法。该硅碳复合材料的制备方法，整个工艺精简，可以用于大规模工业化生产；制备得到的硅碳复合材料导电性良好，具有较好的循环稳定性能。

第一方面，本发明提供了一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化亚硅原料分散至含分散剂、金属催化剂和溶剂的混合溶液中，置于砂磨机中进行纳米化处理，然后经烘干、破碎处理后，得到氧化亚硅纳米颗粒；

(2)将所述氧化亚硅纳米颗粒与沥青按质量比20:(1-4)混合，于惰性气体环境下，在反应釜中经加热搅拌后，形成前驱体；所述加热搅拌过程的温度曲线为：将温度升至250℃-350℃，保温1-3h，然后升温至550℃-650℃，保温2-6h；

(3)将所述前驱体置于管式炉中，于惰性气体环境下，经高温烧结后，得到硅碳复合材料粗品；

(4)对所述硅碳复合材料粗品进行酸处理，然后水洗至溶液呈中性，经烘干后收集得到硅碳复合材料。

可选地，所述步骤(1)中，所述氧化亚硅原料的粒径为1-20μm。

可选地，所述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、聚氧乙烯辛基苯酚醚-10、吐温-80、十二烷基磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的一种或多种。

进一步地，可选地，所述述分散剂包括聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、聚氧乙烯辛基苯酚醚-10、吐温-80、十二烷基磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠和十二烷基硫酸钠中的至少两种。

例如，本发明一具体实施方式中，所述分散剂为聚氧乙烯辛基苯酚醚-10，或为吐温-80，或为十二烷基磺酸钠，或为聚乙烯吡咯烷酮。本发明另一具体实施方式中，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵；或者所述分散剂为聚氧乙烯辛基苯酚醚-10和吐温-80等。