[发明专利]一种高性能硅碳复合材料及其制备方法、锂离子电池

说明书

本发明提供了一种硅碳复合材料，包括硅/石墨烯复合材料和MXene；所述硅/石墨烯纳米颗粒复合在所述MXene片层上。本发明设具有特殊的组成和结构，是一种具有夹层结构的高性能硅碳复合材料，不仅有利于缩短电子的传输路径，能够极大地提高锂离子电池循环稳定性和功率性能，而且可以抑制硅体积膨胀，有利于保持负极活性材料的结构完整，促进电子和离子迁移，还能抑制Si@GE纳米颗粒的聚集、体积膨胀和增强稳定性，最终实现了Si@GE@MXene硅碳复合材料在结构稳定性、电化学性能和电子/离子迁移特性等多方面的提升，尤其是材料的循环稳定性和可逆性能。本发明提供的制备方法工艺简单，易于操作，适合大规模生产和推广。

技术领域

本发明属于硅碳复合材料技术领域，涉及一种硅碳复合材料及其制备方法、锂离子电池，尤其涉及一种高性能硅碳复合材料及其制备方法、锂离子电池。

背景技术

锂离子电池由于具有开路电压高、能量密度大、自放电率小以及无污染等优点而被广泛应用于电子设备、电动交通、航空航天、军事、医学等领域。随着便携式电子产品的迅猛发展，对锂离子电池(LIB)的体积能量密度和质量能量密度提出了更高的要求。目前，商业化的锂离子电池主要采用碳素材料作为负极，石墨由于其层状结构利于锂离子的嵌入和脱出而得到了最广泛的应用。然而石墨的理论比容量仅为372mAh/g，相对较低，已经无法满足日益增长的高容量、高功率需求。因此，寻找取代商业化石墨负极的更高容量电极材料，成为锂离子电池负极研究的重要探索方向。

硅材料由于其较高的理论比容量(4200mAh/g)以及放电电位低、自然储量丰富等优势，成为替代石墨的最有潜力的锂离子电池负极材料。然而，在锂离子嵌入和脱出过程中，硅材料会有高达300％的体积变化，这会导致电极结构破坏、电连接失效、活性材料持续消耗等问题，最终导致电池容量迅速衰减，循环性能恶化。

目前，改善硅负极的一种主要方法是将硅材料纳米化，如纳米薄膜、纳米线、纳米颗粒等，纳米化的硅可以更好的释放体积变化产生的应力，同时提供体积膨胀的空间，然而由于硅的本征导电率低，纳米化的硅在多次循环后仍然会有较明显的容量衰减，且电池功率密度也较低。M.Holzapfel、N.Liu等利用硅与碳的复合材料，不仅利于增强材料的电子导电性，同时碳材料的轻量、易延展的特性也有利于应力释放。但是，传统的碳材料在硅循环过程中，容易碎裂，导致在较多循环次数后容量衰减变快，并且无定形的碳材料限制了电子传导速率。因而，现有的硅碳复合材料依然存在体积膨胀，从而造成极片粉化脱落，导致电池性能衰减的问题；而常采用的碳材料包覆硅颗粒的结构中，存在硅核与碳壳间的导电性较差，难以保证Li⁺和e^-的快速传输的缺陷。

因此，如何找到更为适宜的硅复合方式，解决现有的用于硅负极的硅材料存在的上述问题，而且适于工业化推广和应用，已成为诸多一线研究人员和科研型企业亟待解决的问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种硅碳复合材料及其制备方法、应用。本发明提供的硅碳复合材料，能够极大地提高锂离子电池循环稳定性和功率性能，并抑制硅体积膨胀，有利于保持负极活性材料的结构完整，在结构稳定性、电化学性能和电子/离子迁移特性等多方面的提升，尤其是材料的循环稳定性和可逆性能。而且制备方法工艺简单、易于操作，适合大规模生产。

本发明提供了一种硅碳复合材料，其特征在于，包括硅/石墨烯复合材料和MXene；

所述硅/石墨烯纳米颗粒复合在所述MXene片层上。

优选的，所述硅/石墨烯纳米颗粒具有核壳结构，所述石墨烯层为壳，所述硅颗粒为核；

所述硅/石墨烯纳米颗粒负载在所述MXene片层的表面和/或MXene片层之间；

所述硅/石墨烯纳米颗粒聚集在所述MXene片层的边缘和/或褶皱处；

所述硅/石墨烯复合材料与所述MXene的质量比为1：(0.1～20)；