[发明专利]一种卵黄-壳型碳包覆硅复合负极材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种卵黄‑壳型碳包覆硅复合负极材料及制备方法，首先将硅合金粉和碳材料在粘结剂的作用下进行混合分散，得到碳材料包覆硅合金的复合粉末；后将复合粉末在惰性气氛下进行热处理，使粘结剂碳化；将经热处理的复合粉末加入到金属腐蚀液中搅拌分散，除去复合粉末中的金属；将除去金属的复合粉末依次经过滤、洗涤、干燥，最后进行热处理，使复合物中的有机物完全碳化，得到卵黄‑壳型碳包覆硅复合负极材料。本发明的卵黄‑壳型碳包覆硅复合负极材料的制备方法成本低、易实现，所制备的复合负极材料为卵黄‑壳型结构，具有足够高的抗压强度，应用在锂离子电池中，电池容量高、循环性能好。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种卵黄-壳型碳包覆硅复合负极材料及制备方法。

背景技术

锂离子电池因具有工作电压高、能量密度大和循环寿命长等优点，已成为便携式电子设备、电动汽车及储能系统的理想电源，开发比能量高、安全性好以及成本低廉的新型电极材料是锂离子电池研究领域的核心内容。目前商业化锂离子电池的主要负极材料为石墨，由于其理论容量低（372 mAh/g），高倍率充放电性能差，限制了锂离子电池能量的进一步提高。

硅因具有极高的理论比容量（4200 mAh/g）和较低的脱锂电位（小于0.5 V相对于Li/Li⁺），近年来成为了热门的锂离子电池负极材料之一。然而硅在锂的嵌、脱循环过程中经历巨大的体积变化导致了电极的结构劣化，进而使得其容量快速衰退，限制了硅材料的实际应用。

为了缓冲硅在电池应用时的体积变化，常见的方法有：（1）碳包覆（如专利CN101710617A、CN105576209A、CN101244814A），碳材料因为导电能力强、不影响锂离子传导、强度高，而常被用作包覆材料，但需要使用纳米级的硅粉才能避免硅颗粒在膨胀/收缩应力下自身发生破碎，而纳米硅粉的成本极高；（2）使用低成本的氧化硅材料及其碳包覆物（如CN103474631A、CN103035917B、CN103219504A），氧化硅在电池化成时转化为具有储锂能力的单质硅，而伴生的硅酸锂和氧化锂则成为了包覆在硅外部的缓冲物，但氧化硅还原为硅的反应需要消耗额外的能量，使得这类材料首次充放电效率较低，且产生的硅酸锂和氧化锂是电绝缘物，影响了电极内的电荷传输。由于硅完全锂化后的体积达原来的4倍之多，简单的包覆并不足以提供有效的缓冲，因此有必要对硅基负极材料的结构进行进一步的优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种卵黄-壳型碳包覆硅复合负极材料的制备方法，成本低、易实现，所制备的复合负极材料为以硅为卵黄，碳为壳的卵黄-壳型结构，具有足够高的抗压强度，应用在锂离子电池中，电池容量高、循环性能好。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种卵黄-壳型碳包覆硅复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硅合金粉和碳材料在粘结剂的作用下进行混合分散，得到碳材料包覆硅合金的复合粉末；

（2）将步骤（1）得到的复合粉末在惰性气氛下进行热处理，使粘结剂碳化；

（3）将步骤（2）经热处理的复合粉末加入到金属腐蚀液中搅拌分散，将复合物中的金属溶解除去；

（4）将步骤（3）反应物依次经过滤、洗涤、干燥，后将纯化的反应物进行热处理，使复合物中的有机物完全碳化。

优选的，所述硅合金粉的粒径不大于2 μm，其中硅合金为硅铝合金、硅铝合金衍生物、硅锌合金、硅锌合金衍生物、硅锡合金或硅锡合金衍生物，硅与金属的体积比为1:3。

优选的，所述碳材料为石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、导电炭、碳纳米管、石墨烯中至少一种。

优选的，所述粘结剂为酚醛树脂、酚醛树脂预聚体、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚丙烯腈-聚丙烯酸共聚物、淀粉、葡萄糖、沥青中至少一种。

优选的，所述硅合金粉的加入量不大于碳材料和粘接剂的总质量。