[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本申请公开了一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，所述硅碳复合材料包括纳米硅和类石墨烯碳纳米片；类石墨烯碳纳米片对纳米硅形成包覆；类石墨烯碳纳米片与纳米硅之间存在硅氧层。本申请硅碳复合材料为类石墨烯包覆纳米硅的二维分级纳米结构，将其作为负极材料，使得电极具有高导电性、优异的循环稳定性和大电流下的良好的倍率性能。同时本申请还公开了该硅碳复合材料的制备方法，中间相沥青在盐模板的辅助下裂解生成的高比表面积、高电导率的类石墨烯碳纳米片，实现了一锅法商业纳米硅颗粒表面包覆类石墨烯碳层，克服了沥青包覆纳米硅的分散效果差、表面包覆不均匀、易团聚、容量衰减快等问题。

技术领域

本申请涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，属于电化学和新能源领域。

背景技术

锂离子电池以其高电压、高比能量、长循环寿命和环境友好等优势已在笔记本电脑、摄像机、移动电话等设备中得到普遍应用。随着世界范围内化石能源的紧缺和日益严重的环境污染问题，包括我国在内的世界各国，都在大力推广应用以锂离子电池为动力来源的新能源汽车。相比于传统的石墨负极，硅基材料因为它具有极高的理论比容量(～4200mAh g^-1vs～370m Ah g^-1(传统石墨负极))、相对较低的嵌锂电位(0.5V vs Li⁺/Li)和较高的地壳储量，被认为是最具商业价值的下一代锂离子电池负极材料。

然而，硅基材料同时存在许多的内在缺陷包括：低Li扩散速率和电子电导率；硅的合金化反应过程产生巨大体积膨胀(300％)，导致硅的粉碎，电化学接触不良，以及固体电解质中间相(solid electrolyte interphases(SEI))的反复破坏和生成会消耗电解液降低库伦效率和循环寿命。

硅的纳米化和在硅表面包覆碳和氧化物等保护层是缓解硅粉化引起的比容量快速下降的最有效方法。石墨烯与硅纳米粒子的组装将在很大程度上抑制硅纳米粒子的体积膨胀引发的机械应力，其次石墨烯具有较大的比表面积，能缩短锂离子的传输距离，增加电极导电性，从而提升倍率性能并维持高的能量密度。截止到目前有关报道硅-石墨烯复合材料的制备往往伴随着繁琐的工艺、高成本和有毒化学品排放。因此，开发一种工艺简单、低成本并且能有效抑制硅的体积效应的制备工艺仍是目前硅基材料领域要解决的难题。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料为类石墨烯包覆纳米硅的二维分级纳米结构，将其作为负极材料，使得电极具有高导电性、优异的循环稳定性和大电流下的良好的倍率性能。

所述硅碳复合材料包括纳米硅和类石墨烯碳纳米片；

类石墨烯碳纳米片对纳米硅形成包覆；

类石墨烯碳纳米片与纳米硅之间存在硅氧层。

可选地，纳米硅的直径为30～50nm；

硅氧层的厚度为5±1nm。

具体地，所述硅氧层具有化学式SiO_x，x为1.39。

可选地，硅碳复合材料中，类石墨烯碳纳米片的含量为30wt％～70wt％。

具体地，类石墨烯碳纳米片的含量下限独立选自30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％；类石墨烯碳纳米片的含量上限独立选自51.9wt％、55wt％、60wt％、65wt％、70wt％。

根据本申请的又一个方面，提供了一种硅碳复合材料的制备方法，至少包括以下步骤：

S001、得到含有卤化盐、纳米硅、类石墨烯碳纳米片前驱体的混合前驱体；

S002、对混合前驱体进行退火处理，得到硅碳复合材料。

可选地，步骤S001中，卤化盐为碱金属卤盐、碱土金属卤盐中的至少一种。