[发明专利]硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明公开了一种硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池。硅碳负极材料包括碳、复合硅颗粒和导电剂，且碳、复合硅颗粒和导电剂形成混合物颗粒，其中，复合硅颗粒包括硅基核体和包覆所述硅基核体的碳包覆层，且碳包覆层中掺杂有陶瓷。这样，本发明硅碳负极材料通过将包括碳、复合硅颗粒和导电剂形成混合物颗粒，使得碳、复合硅颗粒和导电剂起到增效作用，赋予硅碳负极材料高的充放电效率、充放电倍率、比容量和循环性能。硅碳负极材料的制备方法能够保证制备的硅碳负极材料结构和电化学性能稳定，而且效率高，节约生产成本。锂离子电池具有优异的倍率性能和循环性能，寿命长，且快速充电能力强，电化学性能稳定。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术

开发高能量密度、长循环寿命和具有一定倍率特性的锂离子电池是3C电池和动力及储能电池的技术发展趋向，作为纯石墨负极材料的下一代负极材料，硅材料具有4200mAh/g的超过理论比容量和较适宜的充放电平台(0.4～0.5V)；但其缺点在于进行合金化反应时最高可产生300％的体积膨胀以及导电性差，将会导致负极材料的粉化、负极材料与集流体分离、容量快速衰减等，从而严重限制在锂离子电池中的使用。

鉴于此，针对硅材料的纳米化可有效缓解充放电过程中极大的体积变化，通过碳包覆等手段有效提升其电导率，通过制备硅氧材料牺牲理论比容量来降低体积膨胀率等手段来改善硅基负极材料的性能是当前研究的热点。虽然目前有公开报道改性硅材料的报道，但是目前公开的改性硅材料存在能量密度、充放电效率、倍率性能或/或循环性能受到不利影响，而且很多制备方法均无法达到产业化的可行性，比如公开报道的多孔核硅及其制备方法中，其是采用HF蚀刻方式在Si/SiO₂混合物上形成多孔核硅，但该方法不能保证所有SiO₂均蚀刻去除；在公开的一份硅碳材料中，其通过一系列处理将纳米硅颗粒变成纳米硅球再进行碳包覆，极大增加了材料的生产成本；在公开的另一份硅碳材料中，其是将SiC在2200～2400℃下高温热解为硅材料，并要求真空环境，使其成本较高。在公开的一份纳米硅合金材料中，其负极材料中包括40％～60％wt的纳米硅合金材料，极大增加了材料的成本。

因此，如果提高硅碳材料在保证能量密度的前提下兼顾充放电效率、循环寿命和充放电倍率和降低其经济成本是本领域一直努力克服的难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种硅碳负极材料及其制备方法，以解决现有硅碳材料充放电效率和快速充电能力以及循环性能不理想或不能兼顾且成本高的技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种锂离子电池，以解决现有含硅碳材料的锂离子电池存在首效、快速充电能力和循环性能不理想和成本高的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明的一方面，提供了一种硅碳负极材料。本发明硅碳负极材料包括碳、复合硅颗粒和导电剂，且碳、复合硅颗粒和导电剂形成混合物颗粒，其中，复合硅颗粒包括硅基核体和包覆硅基核体的碳包覆层，且碳包覆层中掺杂有陶瓷。这样，本发明实施例硅碳负极材料的混合物颗粒中，复合硅颗粒以硅基材料为核体，赋予硅碳负极材料高比容量特性，以含有陶瓷的碳材料作为包覆层，赋予包覆层优异的力学性能，构建具有良好力学性能的抗膨胀功能层，从而能够有效抗硅基核体在充放电过程中发生的体积膨胀效应，赋予复合硅颗粒优异的体积和结构稳定性能，从而赋予复合硅颗粒具有优异的循环性能。混合物颗粒所含的碳和导电剂以及与复合硅颗粒所含的碳包覆层构建了一个良好的导电体系，赋予硅碳负极材料低电阻高导电性能，从而赋予硅碳负极材料高的充放电效率和充放电倍率。因此，本发明实施例硅碳负极材料通过将包括碳、复合硅颗粒和导电剂形成混合物颗粒，使得碳、复合硅颗粒和导电剂起到增效作用，赋予硅碳负极材料高的充放电效率、充放电倍率、比容量和循环性能。