[发明专利]一种人造石墨-硅复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及电池负极材料领域，特别是涉及一种人造石墨‑硅复合材料，所述复合材料包括核心层和包覆层；所述包覆层均匀包在核心层的表面；所述核心层包括人造石墨和硅材料，硅材料镶嵌在人造石墨与人造石墨粘接的复合颗粒结构的间隙中。本发明在碳化后，核心层中人造石墨的复合颗粒具有一定的间隙，这种间隙刚好让硅材料镶嵌其中并预留一定的缓冲空间，在重放电过程中，人造石墨的复合颗粒为骨架，硅材料提供高的容量；包覆层使得核心结构在电池极片制作过程中材料的结构不被破坏，保证结构的稳定性。本发明具有三维空隙结构，它能够为硅的膨胀提高一定的缓冲空间，缓解材料在充放电过程中的体积效应，提高锂离子电池的容量和循环，降低膨胀。

技术领域

本发明涉及电池负极材料领域，特别是涉及一种人造石墨-硅复合材料及其制备方法。

背景技术

目前商业化负极材料主要为天然石墨、人造石墨和中间相等石墨类材料，但因其理论容量较低(372mAh/g)，无法满足于市场的需求。近年来，人们的目光瞄准新型高比容量负极材料：储锂金属及其氧化物(如Sn，Si)和锂过渡金属磷化物。在众多新型高比容量负极材料中，硅因具有高的理论比容量(4200mAh/g)而成为最具潜力的可替代石墨类材料之一，但是硅基在充放电过程中存在巨大的体积效应，易发生破裂和粉化，从而丧失与集流体的接触，造成循环性能急剧下降。

因此降低体积膨胀效应、提升循环性能对硅基材料在锂离子电池中的应用有重大意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种人造石墨-硅复合材料及其制备方法，具有三维空隙结构，它能够为硅的膨胀提高一定的缓冲空间，缓解材料在充放电过程中的体积效应，提高锂离子电池的容量和循环，降低膨胀。

本发明采用如下技术方案：

一种人造石墨-硅复合材料，所述复合材料包括核心层和包覆层；所述包覆层均匀包在核心层的表面；所述核心层包括人造石墨和硅材料，硅材料镶嵌在人造石墨与人造石墨粘接的复合颗粒结构的间隙中。

对上述技术方案的进一步改进为，所述硅材料的含量为核心层总质量的55％-60％。

对上述技术方案的进一步改进为，所述硅材料采用纳米级的硅、亚微米级的硅、一氧化硅或二氧化硅中的一种。

对上述技术方案的进一步改进为，所述硅材料的粒径为50纳米-1500纳米。

对上述技术方案的进一步改进为，所述包覆层的材料采用沥青、酚醛树脂、环氧树脂、煤焦油中的一种或多种；所述沥青采用石油沥青、煤系沥青中的一种或两种；所述酚醛树脂包括苯酚、甲醛与盐酸，所述环氧树脂包括低分子量环氧树脂与固化剂。

对上述技术方案的进一步改进为，所述包覆层的包覆方式包括液相包覆和固相包覆。

一种人造石墨-硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将硅材料用高分子材料包覆，然后与人造石墨、包覆层的材料进行混合；

将上述混合料投入滚筒炉或者包覆釜中进行改性预处理；

将改性预处理的材料进行碳化即得人造石墨/硅复合负极材料。

对上述技术方案的进一步改进为，在所述将硅材料用高分子材料包覆，然后与人造石墨、包覆层的材料进行混合步骤中，所述高分子材料采用酚醛树脂或者环氧树脂中的一种。

对上述技术方案的进一步改进为，在所述将上述混合料投入滚筒炉或者包覆釜中进行改性预处理步骤中，滚筒炉升温曲线为：1℃-2.5℃/min升温至350-700℃，恒温3-7h，然后冷却至室温；包覆釜升温曲线为：1℃-2.5℃/min升温至350-600℃，恒温3-7h，转速为65-70r/min，然后冷却至室温。