[发明专利]一种硅碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硅碳负极材料及其制备方法，所述制备方法包括：向硅源中加入聚合物单体以及催化剂，加热搅拌条件下得到聚合物纳米带包覆硅材料；将所述聚合物纳米带包覆硅材料在惰性气体中进行碳化处理，得到硅碳负极材料。本发明通过采用甲醛、乙醛等低位阻的醛类单体与酚类单体在硅源中聚合并碳化后形成高孔隙率网络状包覆结构的硅碳负极材料，不仅可以有效缓冲硅在嵌脱锂过程中的体积膨胀，延长锂离子电池的循环寿命，而且碳纳米纤维交织成的导电网络在硅颗粒体积变化时不易断路，在其中的硅颗粒能一直与集流体保持良好的电接触，有利于提高硅材料的循环稳定性，制备方法简单，无需模板，也不需要刻蚀等复杂工艺，具有优异的工业化前景。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池以其高电压、高能量密度和长循环寿命等优异性能而被广泛应用于手机和笔记本电池、动力电池及储能电池等。随着智能手机和笔记本电脑的轻薄化、多功能化和屏幕的加大，现有的锂离子电池难以满足消费类电子产品对电池日益苛刻的要求，迫切需要新型技术来有效提高锂离子电池的比能量。锂离子电池通常包括负极、隔膜、电解液、正极等四大关键材料及其他辅助材料。而四大关键材料中，负极和正极是其核心材料，负极和正极材料的比容量和嵌脱锂电压决定了锂离子电池的比能量。

目前商业化的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，由于石墨的理论嵌锂容量仅为372mAh/g，且实际应用的材料已达到360mAh/g，因此该类材料在容量上几乎已无提升空间。为了提高锂离子电池的比能量，各种新型的高比容量和高倍率性能的负极材料被开发出来，包括硅基、锡基、纳米碳材料及金属氧化物，其中硅基材料由于具有最高的质量比容量和较低的电压平台(硅的理论比容量为4200mAh/g，脱锂平台电压为0.4V)而成为研究热点，然而，硅基负极材料在嵌脱锂过程中伴随着严重的体积膨胀与收缩，导致电活性物质的粉化脱落和固体电解质膜(solid electrolyte interphase,SEI膜)的不断形成，直接导致比容量快速衰减且充放电效率低等问题。

现有的解决硅在嵌脱锂过程中的体积变化问题的方法是在硅基体中预先制备出孔隙，利用孔隙容纳其嵌锂过程中增大的体积，缓解内应力。空心碳球包裹纳米硅、硅纳米空心球、硅纳米线、硅纳米管及多孔硅等是研究较多的五种预置孔隙结构。这些预置孔隙结构能明显改善硅基负极材料的循环稳定性，但这些结构中的孔绝大多数是采用牺牲模板法制备，即利用煅烧或者选择性刻蚀除去模板而得到。模板本身的结构都是经过精细调控的，其合成工艺成本很高，利用完后还得除去模板，又增加了复杂性和工艺成本，所以导致这些新型结构的制备成本较高，不利于大量制备，严重阻碍了其产业化应用。

当然，也直接在硅源表面形成多孔碳层，通过多孔碳层对硅材料的体积膨胀起到缓冲作用，如专利号CN201710270846.0中采用发泡工艺在硅颗粒表面形成多孔碳包覆层，但其是采用苯甲醛单体和对苯二酚在硅源表面形成包覆层，如图1所示为以苯甲醛单体和苯二酚单体对硅源表面进行包覆得到的硅碳负极材料的扫描电镜图，由图1可以看出，其形成的负极材料表面形成的包覆层致密，因此无法有效缓解硅负极材料在嵌脱锂过程中的体积变化问题。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种硅碳负极材料及其制备方法，旨在解决现有技术锂离子电池负极材料通过模板法解决硅在嵌脱锂过程中的体积变化问题成本高，不利于大量制备，而非模板法表面形成的包覆层致密孔洞较少，无法有效解决硅在嵌脱锂过程中的体积变化的问题。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种硅碳负极材料的制备方法，具体步骤如下：

向硅源中加入第一聚合物单体、第二聚合物单体以及催化剂，加热搅拌条件下得到聚合物纳米带包覆硅材料；

将所述聚合物纳米带包覆硅材料在惰性气体中进行碳化处理，得到硅碳负极材料。