[发明专利]硅铁碳复合负极材料及其制法以及采用它的锂离子电池

说明书

公开一种用于锂离子电池的硅铁碳复合负极材料的制备方法、由该方法制得的硅铁碳复合负极材料以及采用该复合负极材料的锂离子电池，所述方法包括：用砂磨机砂磨硅铁合金粗粉，得到硅铁合金的纳米颗粒；用酸处理得自S1的纳米颗粒，直至不再有气泡产生，以除去硅铁合金中的大部分铁，得到多孔的硅铁合金纳米颗粒；及用碳源包覆得自S2的多孔硅铁合金纳米颗粒，然后进行碳化，得到所述碳包覆的硅铁碳复合负极材料。该碳包覆的硅铁碳复合负极材料可显著提高电池的循环寿命，同时使电池的容量特性、充放电速率特性、循环寿命特性更均衡。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，更具体地，本发明涉及一种用于锂离子电池的硅铁碳复合负极材料的制备方法、由该方法制得的硅铁碳复合负极材料以及采用该复合负极材料的锂离子电池。

背景技术

从锂离子电池发明以来，移动办公和移动通讯得到了快速的发展，在这个发展的过程中，对锂离子电池的性能提出了更高的要求，要更安全，容量更大。锂离子电池主要采用石墨作为负极材料，但是因为其充放容量电低，限制了电池容量的增加。硅材料凭借高的理论嵌锂容量、储量丰富，成本低，容易获得，成为综合性能优异的新型负极材料，有望成为下一代锂离子电池的负极材料。但是硅有一些缺点，在充放电过程中，体积变化大(约300％)，容易导致材料粉化、脱落，从而丧失电化学性能；硅表面的SEI膜持续增长会造成容量的不可逆衰减；硅还存在导电性能差等问题。针对上述不利的因素，国内外开展了大量的相关研究，改善硅的性能。国内外很多负极材料企业和电极研究机构投入大量的人力物力进行硅碳复合负极材料的研究与生产，提高硅基材料的应用前景。

由于硅在充放电过程中，容易产生体积膨胀(～300％)，这限制了硅负极的商业化应用，碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环热稳定性能，而且碳质负极材料本身是离子与电子的混合导体；另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。在硅碳复合体系中，Si颗粒作为活性物质，提供储锂容量；C既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善Si质材料的导电性，还能避免Si颗粒在充放电循环中发生团聚。因此Si/C复合材料综合了二者的优点，表现出高比容量和较长的循环寿命。

中国专利申请CN109037606A公开一种碳包覆的多孔硅硅铁合金复合负极材料及其制备方法：将硅铁粉末与聚丙烯腈混合、球磨；在惰性气体中进行碳化；洗涤，得到粒径为0.5～3μm的碳包覆的多孔硅硅铁合金复合负极材料。由该方法制得的硅铁合金虽具有较高的负极容量，但是所得硅铁材料颗粒大小为0.5～3μm，颗粒比较粗，在充放电过程中体积膨胀变化较大；硅铁粉末与聚丙烯腈的重量比为4:0.25～0.5，硅铁粉末所占比例较高，外面包覆的碳量相对来说较少，充放电过程中硅铁颗粒体积膨胀相对较大，较少的碳包覆层说明碳包覆层较薄，充放电过程中硅铁碳的包覆结构容易被破坏，这些因素均不良地影响电池的循环寿命特性。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明人进行了深入的研究，意想不到地发现：通过分步处理硅铁合金，可以克服现有技术的上述缺点，进而获得循环寿命特性更好，且容量特性、充放电速率特性、循环寿命特性等综合性能更均衡的硅铁碳复合负极材料。

一方面，本发明提供一种制备碳包覆的硅铁碳复合负极材料的方法，包括如下步骤：

S1：用砂磨机砂磨硅铁合金粗粉，得到硅铁合金的纳米颗粒；

S2：用酸处理得自S1的纳米颗粒，直至不再有气泡产生，以除去硅铁合金中的大部分铁，得到多孔的硅铁合金纳米颗粒；及

S3：用碳源包覆得自S2的多孔硅铁合金纳米颗粒，然后进行碳化，得到所述碳包覆的硅铁碳复合负极材料。

在根据本发明的方法的一个实施方式中，步骤S1中所述的砂磨硅铁合金粗粉是在惰性气氛保护下于溶剂中进行的。