[发明专利]纳米硅碳复合材料、制备方法、应用和锂离子电池

说明书

本发明公开了一种纳米硅碳复合材料、制备方法、应用和锂离子电池。该纳米硅碳复合材料包括多孔硅碳团簇、石墨和有机碳源残碳，多孔硅碳团簇和石墨分散在有机碳源残碳中；多孔硅碳团簇包括纳米硅颗粒、孔和沥青残碳，纳米硅颗粒和孔分散在沥青残碳中，多孔硅碳团簇的粒径D50小于5μm。采用该纳米硅碳复合材料的锂离子电池容量高、首次充放电效率高、循环性能好；该材料的制备方法简便，易控制、易于实现规模化生产，对环境友好。

技术领域

本发明涉及一种纳米硅碳复合材料、制备方法、应用和锂离子电池。

背景技术

随着便携式移动设备以及电动汽车的发展，人们对于更高能量密度和更高功率密度的能量存储装置的需求愈来愈迫切。针对负极材料而言，目前广泛采用的石墨类材料已经接近其理论值(372mAh/g)，因此寻找容量更高的负极材料迫在眉睫。其中硅材料具有极高的理论容量(4200mAh/g)成为新型负极材料的首选，但是硅材料在嵌锂过程中会出现约300％的体积膨胀，从而导致了电池综合性能的大幅下降。因此解决硅材料这一缺陷是目前国内外致力研究的课题。

预留缓冲空间能够有效降低硅材料体积膨胀给电池带来的一系列性能恶化，例如Jiang等发表的《An easy way for preparing high performance porous siliconpowder by acid etching Al-Si alloy powder for lithium ion battery》通过牺牲惰性组分的方式来制备出缓冲空间，具体过程包括：合金的选择及研磨造粒、盐酸条件下刻蚀去除金属铝来制备缓冲空间、表面包覆和高温碳化。该复合材料具有比较优异的性能，但制备过程需要刻蚀大量的金属铝以及使用大量的盐酸溶液，产生的废液较多，成本较高不利于市场化。而Ge等发表的《Large-scale fabrication,3D tomography,and lithium-ionbattery application of porous silicon》直接在硅材料表面通过刻蚀的方式制备出缓冲空间，具体过程包括：硅原料的球磨处理、氢氟酸和双氧水体系进行刻蚀制备缓冲空间、表面包覆和高温碳化。该复合材料具有比较优异的循环性能，但制备过程需要使用有毒的氢氟酸以及强氧化物双氧水，生产过程具有一定的危险性，不适合进行规模化量产。

因此，开发一种能够有效缓解体积膨胀、循环性能好、首次放电效率高且易于规模化批量生产的锂离子电池负极材料及其制备方法是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中硅负极材料体积膨胀效应高、无法规模化生产等缺陷，从而提供一种纳米硅碳复合材料、制备方法、应用和锂离子电池。本发明制得的纳米硅碳复合材料的体积膨胀效应较低，有效地提高了锂离子电池的首次放电效率、循环稳定性和安全性能，并且其制备过程简单，适用于工业化生产。

本发明主要通过以下技术方案解决上述技术问题：

本发明提供了一种纳米硅碳复合材料，所述纳米硅碳复合材料包括多孔硅碳团簇、石墨和有机碳源残碳，所述多孔硅碳团簇和所述石墨分散在所述有机碳源残碳中；所述多孔硅碳团簇包括纳米硅颗粒、孔和沥青残碳，所述纳米硅颗粒和所述孔分散在所述沥青残碳中；所述多孔硅碳团簇的粒径D50小于5μm。

本发明中，所述纳米硅碳复合材料中，纳米硅颗粒将体积膨胀均匀分散，避免形成局部应力过高导致材料结构破碎。

本发明中，所述多孔硅碳团簇的粒径D50较佳地为1.5-3.5μm，更佳地为1.5μm。

本发明中，所述石墨和所述有机碳源残碳的质量之和与所述纳米硅颗粒和所述沥青残碳的质量之和的质量比可为1：(1-9)，较佳地为3:7。

所述纳米硅颗粒和所述沥青残碳的质量比可为5：(1-5)，较佳地为5：(2-5)。

所述石墨和所述有机碳源残碳的质量比可为1:9-9:1，较佳地为1:2-2:1，更佳地为1:1。