[发明专利]硅基复合材料、其制备方法及锂离子电池

说明书

本发明公开了一种硅基复合材料、其制备方法及锂离子电池，所述硅基复合材料包括纳米活性粒子和石墨，所述纳米活性粒子包括多孔纳米硅；所述石墨具有孔道结构，所述石墨的孔道结构中内嵌有所述纳米活性粒子，及/或，所述石墨具有层状结构，所述石墨的层状结构中内嵌有所述纳米活性粒子；相较于传统碳包覆的硅负极材料，本发明所制备的硅基负极材料具有膨胀率更低的优点，提升了循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，涉及一种硅基复合材料、其制备方法及锂离子电池，尤其涉及一种多孔纳米硅基复合材料、其制备方法及锂离子电池。

背景技术

锂离子电池以其工作电压高、重量轻、自放电小、循环寿命长、无记忆效应、无环境污染以及安全性能好等特点，成为了目前理想的便携式电池。Si有很高的嵌锂容量，高达4200mAh·g^-1，但是硅负极存在严重的体积膨胀效应，导致材料循环性能差，衰减很快，无法满足长循环、低膨胀的要求，从而阻碍了Si作为锂离子电池负极投入到实际应用中。

一种硅负极材料的改性方法，将硅负极材料烘干处理；用乙醇对硅负极材料进行表面钝化处理；再在气相原子层沉积腔体进行设定的循环周期沉积，即得到多孔氧化物包裹的硅负极材料。通过在硅表面包覆纳米多孔氧化物材料控制硅体积膨胀，氧化物的首次效率很低，多孔化之后进一步增加了材料比表面积，导致首效进一步降低，整体材料的首次效率比较低，此外从实施效果中可以看到上述硅负极材料初期的衰减非常迅速，表明此方法在改善材料的循环性能、控制体积膨胀方面存在欠缺。

一种复合负极材料，以纳米二氧化硅或硅酸盐为硅源，与氧化石墨烯溶胶通过静电自组装实现纳米二氧化硅或者硅酸盐在氧化石墨烯上均匀吸附，得到二氧化硅/氧化石墨烯复合材料或者硅酸盐/氧化石墨烯复合材料，然后将该材料低温原位还原，得到纳米硅/石墨烯复合材料，最后将其进行碳复合包覆，得到所述复合负极材料；上述方案得到的硅负极材料从实施例效果来看，该法制备的硅基复合材料容量偏低，无法满足高容量需求，此外仍存在着膨胀率较高，且长循环衰减较快等问题。因此，研发一种具有超低膨胀率、循环性能优异的硅基复合材料是锂离子电池领域的技术难题。

发明内容

鉴于此，有必要提供一种低膨胀率、循环性能优异的硅基复合材料、其制备方法及锂离子电池。

第一方面，提供了一种硅基复合材料，所述硅基复合材料包括纳米活性粒子和石墨，所述纳米活性粒子包括多孔纳米硅；

所述石墨具有孔道结构，所述石墨的孔道结构中内嵌有所述纳米活性粒子，及/或，所述石墨具有层状结构，所述石墨的层状结构中内嵌有所述纳米活性粒子。

优选地，所述硅基复合材料中，所述纳米活性粒子和所述石墨的质量比为(0.5～80):(10～50)。

优选地，所述硅基复合材料的中值粒径为1μm～40μm。

优选地，所述硅基复合材料的比表面积为1m²/g～20m²/g。

优选地，所述硅基复合材料表面形成有碳包覆层。

优选地，所述多孔纳米硅的中值粒径为1nm～500nm。

优选地，所述多孔纳米硅的比表面积为1m²/g～500m²/g。

优选地，所述多孔纳米硅的孔隙率为20％～90％。

优选地，所述多孔纳米硅的孔径为1nm～0.1μm。

优选地，所述纳米活性粒子还包括形成于所述多孔纳米硅的表面的硅化镁层。

优选地，所述硅化镁层的厚度为1nm～100nm。

优选地，以活性纳米粒子的质量为100％计，所述硅化镁层的质量分数为0.5％～10％。