[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。该硅碳复合材料包括碳层、硅基材料和锂元素，锂元素预嵌在硅基材料表面，碳层包覆在硅基材料的表面，碳层的厚度为2‑10nm。制备时将硅基材料与含有有机碳源和锂化合物的溶液混合，搅拌均匀，得到混合物；所得的混合物经过烘干、热解碳化后，得到硅碳复合材料。本发明低成本、易操作，能够有效改善硅碳负极材料在锂离子电池中的首周库伦效率和电化学循环性能。

技术领域

本发明属于硅碳复合材料领域，涉及锂离子电池负极材料，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

锂离子电池因其优异的性能已经在各种电子产品、电动工具、医疗器械等领域获得了广泛应用。同时，在纯电动汽车、混合动力汽车以及储能等领域也显示了良好的应用前景。为了拥有和汽油车一样甚至更为优异的性能，制备高能量密度的锂离子电池迫在眉睫。硅基材料由于其较高的嵌锂比容量和较低的反应电位成为实现高能量密度锂离子电池的理想负极材料。但其作为半导体材料，有明显的导电性差的缺点。更严重的是，当硅和锂反应形成合金时会发生严重的体积膨胀，导致表面形成的SEI破裂。反复的体积变化会加速消耗电池中的活性锂和活性材料生成厚SEI，造成容量严重衰减。为了改善这些缺点，大量工作通过将导电性优异的纳米材料嵌入或分散在硅基材料中，或者采用导电材料包覆硅基材料的方法提升其性能。其中硅碳复合材料因其成本低廉、导电性优异的优点成为了主要的研究方向。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。

本发明的目的之二是提供一种锂离子电池负极材料，其包括上述硅碳复合材料。

本发明的目的之三是提供一种锂离子电池负极，所述锂离子负极包括上述锂离子电池负极材料。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料包括碳层、硅基材料和锂元素，所述锂元素预嵌在硅基材料表面，所述碳层包覆在所述硅基材料的表面。优选地，所述碳层均匀包覆在所述硅基材料的表面。

根据本发明的硅碳复合材料，所述碳层的厚度可以为2-10nm，例如3-8nm、4-6nm。

根据本发明的硅碳复合材料，所述锂元素的存在形式可以为硅酸锂。其中，所述锂元素可以来自于含锂化合物；例如可以为醋酸锂(CH₃COOLi)、碳酸锂(Li₂CO₃)、氢氧化锂(LiOH)、硝酸锂(LiNO₃)和苯甲酸锂(LiC₇H₅O₂)等中的至少一种；示例性地，所述含锂化合物可以为醋酸锂、碳酸锂或硝酸锂。

根据本发明的硅碳复合材料，所述硅基材料可以选自一氧化硅、硅和二氧化硅等中的至少一种；例如，所述硅基材料可以选自一氧化硅。优选地，所述硅基材料中含有晶体硅，所述晶体硅嵌在所述硅基材料中。

根据本发明的硅碳复合材料，所述锂元素占所述硅碳复合材料质量的1％-15％，例如2-13％、4-10％、6-8％。

根据本发明的硅碳复合材料，所述硅基材料与所述碳层中碳的质量比为1：0.1-1:3，例如1:0.1-1:0.8；作为示例，所述质量比可以为1:0.4。

根据本发明的硅碳复合材料，所述碳层中的碳可以来自于有机碳源，所述有机碳源可以选自柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、淀粉、三聚氰胺、聚氨酯、沥青、聚多巴胺、聚吡咯和聚苯胺等中的至少一种。优选地，所述有机碳源可以为柠檬酸。

根据本发明的硅碳复合材料，所述硅基材料表面含有硅酸盐。

本发明提供上述硅碳复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将硅基材料与含有有机碳源和锂化合物的溶液混合，搅拌均匀，得到混合物；