[发明专利]硅碳负极材料及其制备方法和应用以及锂离子电池

说明书

本发明涉及锂离子电池领域，公开了硅碳负极材料及其制备方法和应用以及锂离子电池，所述硅碳负极材料包括含碳物质和依次包覆在所述含碳物质外表面的含硅材料层和无定型碳层。硅碳负极材料的制备方法包括：(1)将含碳物质与链状聚合物溶液混合，然后向其中加入硅源，将得到的混合物进行分离，得到固体物质；(2)将所述固体物质与碳源前驱体共混，然后进行焙烧。本发明所提供的硅碳负极材料可以改善纳米硅分散性，缓解硅的体积膨胀，提升材料的循环稳定性，应用于锂离子电池中可以提高锂电池的能量密度。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及硅碳负极材料及其制备方法和应用以及锂离子电池。

背景技术

目前锂离子电池广泛采用石墨类负极材料，然而石墨类负极材料的理论储锂容量仅372mAh/g，无法满足新产品对锂离子电池提出的高功率或大容量的要求，严重阻碍了锂离子电池容量的进一步发展。硅基负极材料理论比容量为4200mA·h·g^-1，是目前克容量最高的负极材料，但由于在随后嵌脱锂过程中会发生大的体积变化，导致材料的粉化、二次团聚从而慢慢使活性物质失去活性，使得材料的容量衰减很快，另外，嵌脱锂过程中的体积变化也会使得负极片与集流体之间失掉紧密的电接触。因而，循环性能是否改善成为硅基负极材料能否大规模商业化应用的关键技术，一旦成功应用，能显著提升锂电池的能量密度，使得一次充电续航1000公里成为可能。

为解决上述问题，科研人员采用碳包覆、预留缓冲空间等方法来提高硅基材料的综合电性能。公开号为CN102496701A的中国专利申请报道了一种用于锂离子电池的包覆型硅碳负极材料，其通过碳纳米管和无定形碳包覆硅粉颗粒，使材料的电导率和离子传导率得以提高，循环性能明显改善，但其在充放电过程中，由于纳米硅粉在包覆前已形成微米级的二次颗粒，作为包覆层的碳纳米管和无定形碳就无法起到很好抑制基体体积膨胀的作用，因此在多次循环后，材料仍然会较快粉化，导致材料容量快速衰减。公开号为CN103490045A的中国专利申请报道了CVD法制备的硅颗粒外包裹无定型碳层的复合体系，改善了硅材料的结构和导电性能，在一定程度上能抑制住锂嵌入和脱出过程中的体积效应，从而使该类材料的循环性能得到了提高。但CVD法的过程难以控制，不确定因素多，因此很难实现批量生产。中国发明专利申请CN102332571A公开了一种硅碳复合负极活性材料及制造方法，该公开中将硅表面预先沉积一层碳层，再与有机聚合物混合，喷雾造粒后碳化，得到一个内核植入硅的复合结构。但该结构中首先需要对硅进行表面刻蚀、然后碳沉积，工艺复杂；且喷雾过程复杂，设备昂贵。

因此，解决硅碳负极材料中纳米硅颗粒的分散性，减少纳米硅颗粒的团聚，有效抑制硅的体积效应，提高硅碳复合负极材料的循环性能和比容量，是制备高容量硅基负极材料领域要解决的难题之一。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的硅基负极材料团聚严重，体积膨胀严重的问题，提供一种硅碳负极材料及其制备方法和应用以及锂离子电池。本发明所提供的硅碳负极材料可以改善纳米硅分散性，缓解硅的体积膨胀，提升材料的循环稳定性，应用于锂离子电池中可以提高锂电池的能量密度。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种硅碳负极材料，所述硅碳负极材料包括含碳物质和依次包覆在所述含碳物质外表面的含硅材料层和无定型碳层。

优选地，所述含硅材料层中还含有磷元素，进一步优选地，所述硅碳负极材料中，磷元素与含硅材料的质量比为0.01-0.28：1。

本发明第二方面提供一种硅碳负极材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将含碳物质与链状聚合物溶液混合，然后向其中加入硅源，将得到的混合物进行分离，得到固体物质；

(2)将所述固体物质与碳源前驱体共混，然后进行焙烧。

本发明第三方面提供上述制备方法制得的硅碳负极材料。

本发明第四方面提供上述硅碳负极材料在锂离子电池中的应用。