[发明专利]硅碳复合材料及其制备方法、负极材料、负极片和锂离子电池

说明书

本申请提供一种硅碳复合材料及其制备方法、负极材料、负极片和锂离子电池；所述硅碳复合材料包括硅碳复合物；该硅碳复合物为碳壳层包覆纳米硅核的核壳结构，且所述碳壳层与所述纳米硅核之间由碳纳米纤维连接。本申请的硅碳复合材料给纳米硅颗粒以足够容纳其体积膨胀变化的预留空间，从而避免其充放电过程中粉化失效，容量性能得以稳定发挥，具有良好的电子导电性能及电化学性能。

技术领域

本申请涉及电池技术领域，尤其涉及一种硅碳复合材料及其制备方法、负极材料、负极片和锂离子电池。

背景技术

便携式电子设备和电动汽车市场的不断增长，推动了高性能可充电电池的发展。锂离子电池由于其能量密度高、使用寿命长、工作温度范围宽等优点，是目前此类应用中发展和应用前景最好的电池。

硅是人类至今为止发现的比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料，是一种最有潜力的负极材料，但硅作为锂离子电池负极应用也有一些瓶颈，硅在嵌锂和脱锂过程都会引起体积膨胀，硅在原子尺度或者纳米尺度的体积膨胀率都是320％，而硅体积膨胀会导致一系列结果：1、颗粒粉化、循环性能差；2、活性物质与导电剂、粘结剂接触差，因此在材料设计时必须要考虑其体积膨胀问题。硅在常温下是半导体，现有技术中有直接利用碳材料包覆硅的硅碳复合材料，但内部硅与硅之间的联系不强，还存在硅碳复合材料体积膨胀大及电化学性能较差的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种具有良好的电子导电性能和电化学性能的硅碳复合材料及其制备方法、负极材料、负极片和锂离子电池。

为实现以上目的，本申请提供技术方案如下：

一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料包括硅碳复合物(C@CNF@Si)；该硅碳复合物为碳壳层包覆纳米硅核的核壳结构，且所述碳壳层与所述纳米硅核之间由碳纳米纤维连接。

在一些实施方式中，所述纳米硅核的粒径为30nm-100nm。

在一些实施方式中，所述碳纳米纤维的直径为2nm-8nm，所述碳纳米纤维的长度为10nm-20nm。

在一些实施方式中，所述碳壳层的厚度为10nm-30nm。

在一些实施方式中，所述硅碳复合物的粒径为80-200nm。

在一些实施方式中，所述硅碳复合材料包括硅碳复合物及位于所述硅碳复合物表面的石墨烯层，所述硅碳复合物为碳壳层包覆纳米硅核的核壳结构，且所述碳壳层与所述纳米硅核之间由碳纳米纤维连接；所述硅碳复合材料的粒径为5μm-20μm。

如图1所示，本申请还提供了一种硅碳复合材料的制备方法，包括：

提供物质A(mSiO₂@nSi)，所述物质A包含纳米硅材料及位于所述纳米硅材料表面的介孔二氧化硅包覆层；

在所述物质A的表面包覆芳香族聚合物，及在所述介孔二氧化硅包覆层的介孔内填充所述芳香族聚合物，得到产物B；

对所述产物B进行刻蚀，得到产物C；

对所述产物C进行碳化，得到所述硅碳复合材料。

在一些实施方式中，所述物质A的制备方法包括：将包括介孔模板剂、纳米硅、氨水和硅化合物在内的原料混合反应，去除介孔模板剂，得到所述物质A。

在一些实施方式中，所述物质A的粒径为40nm-120nm。

在一些实施方式中，所述在所述物质A的表面包覆芳香族聚合物，及在所述介孔二氧化硅包覆层的介孔内填充所述芳香族聚合物的步骤包括：将所述物质A进行表面改性，得到表面改性的物质A(改性mSiO₂@nSi)，对表面改性的物质A进行芳香族聚合物包覆。