[发明专利]一种碳包覆硅基负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种碳包覆硅基负极材料及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：将锂源和硅源混合均匀，在惰性气氛下升温进行预锂化反应，然后加入有机碳源，继续升温进行高温煅烧，预锂化反应至高温煅烧的过程中不出现降温，得到碳包覆硅基负极材料。本发明的制备方法，有效缓解硅的膨胀，后续通过在硅酸锂的表面包覆碳层，提高了硅酸锂的导电性，同时还可以避免锂或锂合金与水接触产生的安全隐患。采用本发明的方法制得的碳包覆硅基负极材料，具有容量高、首次充放电效率高、能量密度高且循环性能优异的特点。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种碳包覆硅基负极材料及其制备方法。

背景技术

随着全球资源危机和环境污染问题的日益严重，可再生能源的利用越来越受重视。清洁和高效的储能技术是实现可再生能源运用的必要途径。锂离子电池作为一种先进储能设备，目前被广泛应用于便携式电子设备和电动汽车上。

当前针对锂离子电池的研究主要集中在能量密度的提升上，硅负极材料由于其较高的理论比容量(4200mAh/g)而备受关注。然而，在电化学循环过程中体积的急剧变化(300％)会使硅负极材料在循环过程中逐渐粉化，造成结构坍塌，最终导致活性物质与集流体脱离，循环容量明显衰减。

与硅负极相比，氧化亚硅(SiOx)由于在嵌锂过程中生成了氧化锂和硅酸锂，能有效缓冲循环过程中的体积膨胀，同时氧化亚硅具有更低廉的成本，是一种极具竞争力的负极材料。氧化亚硅在完全锂化的状态下仍具有约200％的体积膨胀，可以通过降低粒径，或增加碳包覆层的方式有效提升其循环性能；然而，由于在首次嵌锂过程中形成不可逆产物，氧化亚硅经前述方法改善后的首次充放电效率依然较低。对氧化亚硅材料进行预锂化处理能有效补偿材料中的锂损失，提高材料的首次充放电效率，但常规预锂化处理后生成的金属锂或锂合金在电池制备过程中与水接触会产生安全隐患。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种碳包覆硅基负极材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种碳包覆硅基负极材料的制备方法，包括以下步骤：

将锂源和硅源混合均匀，在惰性气氛下升温进行预锂化反应，然后加入有机碳源，继续升温进行高温煅烧，预锂化反应至高温煅烧的过程中不出现降温，得到所述碳包覆硅基负极材料。

上述的制备方法，优选的，所述预锂化反应的温度为700-1000℃，时间为0.5-5h；所述高温煅烧的温度为800-1200℃，时间为1.5-2.5h；升温速率为3-10℃/min。

上述的制备方法，优选的，所述硅源为氧化亚硅，其化学式为SiO_x，其中0.5≤x≤1.7。

上述的制备方法，优选的，所述硅源还包括硅单质和/或硅金属合金。

上述的制备方法，优选的，所述锂源为Li粉、LiOH、Li₂O、Li₂CO₃、LiF、Li₂SO₄、LiH、Li₃N、LiBH₄中的至少一种。

上述的制备方法，优选的，所述锂源的质量占锂源和硅源总质量的1-30wt％。

上述的制备方法，优选的，所述锂源的平均粒径D50为1-20μm，硅源的平均粒径D50为1-20μm。

上述的制备方法，优选的，所述有机碳源为甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、异丁烷、己烷、乙烯、丙烯、丁烯、乙炔、苯、甲苯、联苯中的至少一种。

上述的制备方法，优选的，所述有机碳源与硅源的摩尔比为0.1-3。更优选的，所述有机碳源与硅源的摩尔比为0.1-1。