[发明专利]一种多孔硅/碳壳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种多孔硅/碳壳复合材料及其制备方法，该多孔硅/碳壳复合材料包括多孔硅内核和碳壳，多孔硅内核的外壁与碳壳的内壁贴合，两者间保持有离散的孔隙。该多孔硅/碳壳复合材料的制备方法包括，1)将硅化镁、碳源与有机溶剂混合，分散均匀后加热至有机溶剂挥发完全，得到中间产物；2)将步骤1)制备的中间产物在氮气气氛下进行热处理，再经后处理得到多孔硅/碳壳复合材料。本发明公开了一种具有新型结构的多孔硅/碳壳复合材料及其制备方法，该多孔硅/碳壳复合材料兼具优异的倍率性能与循环性能，有望在锂离子电池领域获得更广泛的应用。

技术领域

本发明涉及复合材料的技术领域，尤其涉及一种多孔硅/碳壳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池，是目前最重要的可充电电池，其广泛应用于手机、笔记本电脑等消费电子，纯电动汽车和混合动力汽车，以及其他各种军事、航天领域。虽然锂离子电池已经大规模的应用于这些领域，但是随着这些行业的快速发展，目前的锂离子电池越来越难以满意他们的性能要求。特别是电动汽车和电子消费领域，人们迫切的希望重量体积更小、能量密度更高的电池，即比容量更高的电池的出现。

为了制备更高容量的锂离子电池，首先得研制更高容量的正负极材料。硅作为一种高理论比容量的负极材料，因为具有超高的理论比容量(4200mAh/g)和较低的嵌锂电位，因此是最有潜力成为下一代锂离子电池负极的材料之一。

虽然硅具有以上优点，但当作为负极材料使用时，其嵌入锂离子后会发生高达400％的体积膨胀，在锂离子脱出后，体积会重新收缩。因此，在多次循环后，由于不断的剧烈的体积变化，使得硅活性材料会发生破裂、粉化甚至从集流体脱落，造成容量的衰退。因此，阻碍硅负极应用的最重要的问题就是由于巨大的体积变化造成的循环容量的快速衰减。

此外，目前的锂离子电池除了比容量不能完全满足人们的要求之外，倍率性能低也是亟待解决的问题。例如，目前的电动汽车即使采用快充模式，也需要至少30分钟才能充到80％的电量，这与传统的加油体验是完全不能比的。硅虽然具有最高的理论比容量，但它是一种半导体材料，不佳的导电性使得它在快速充放电时容易出现表面极化，阻碍电荷的进一步快速传输，所以，要提高硅负极的倍率性能，需要与导电性更好的材料复合并结合进一步的结构优化来实现。

针对上述问题，研究者们提出了许多的解决方案。其中，与碳的复合是最重要的解决方案之一。这是因为碳具有比半导体的硅更高的电子电导率，与碳的复合可以提高体系整体的导电性。然后，碳具有一定的机械性能，可以在一定程度上缓冲硅的体积膨胀效应，减小由于体积变化造成的内部应力，降低硅活性材料破裂失活的可能性。

Jinhui Zhu等(Zhu J,Yang J,Xu Z,et al.Silicon anodes protected by anitrogen-doped porous carbon shell for high-performance lithium-ion batteries[J].Nanoscale,2017,9.)提出了在硅颗粒表面包覆掺氮的多孔碳的方法。由于掺入氮原子后碳的导电性和机械性能都得到增强，使得能够更好的发挥碳层增强导电性和缓冲机械应力的作用。但是，Weiqun Li等(Li W,Cao K,Wang H,et al.Carbon coating may expeditethe fracture of carbon-coated silicon core-shell nanoparticles duringlithiation[J].Nanoscale,2016,8(9):5254.)通过理论模型和原位透射电镜观察发现，与纳米硅颗粒紧密包覆的碳层，在硅发生体积膨胀时会限制硅的位移，导致硅内部应力得不到释放，反倒造成硅更容易发生破裂。由此可见，简单的硅/碳核壳结构并不能完全解决硅的问题。