[发明专利]一种多孔硅碳复合负极材料及其制备方法和应用、锂离子电池

说明书

本发明属于锂离子电池材料制备领域，具体公开了一种多孔硅碳复合负极材料及其制备方法和应用、锂离子电池。本发明先通过静电纺丝法将聚合物与正硅酸乙酯相结合，形成强度高、孔隙合适的纳米纤维膜，为之后纳米硅、碳纳米管的嵌入提供合适的空间，并大大缓解充放电过程中硅的体积膨胀，提高其循环性能；本发明将纳米硅、碳纳米管填充在纳米纤维膜的层间和孔隙结构中，提高了材料的振实密度和接触面积，并降低电子阻抗；本发明还利用硅烷偶联剂在纳米硅、碳纳米管与纳米纤维膜之间的偶联作用，提高材料的导电性和结构稳定性，最终得到孔隙率高、比表面积大、膨胀率低的硅碳复合负极材料。本发明的方法制备工艺简单，操作简便，适于规划化工业生产。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料制备领域，具体涉及一种多孔硅碳复合负极材料及其制备方法和应用、锂离子电池。

背景技术

随着市场化对高比能量密度锂离子电池需求的增加，要求锂离子电池负极材料具有高的比容量和低的膨胀，而目前市场上的的锂离子电池负极大多采用石墨为原料，石墨的理论容量仅为372mAh/g，已经难以满足市场对负极材料性能更高的要求。

硅材料因其高达4200mAh/g的理论容量、较低的脱锂电位以及丰富的储存量等优势受到研究者的一致重视。但是，硅材料在充放电过程中会产生巨大的体积变化，以及低的导电率，严重影响其倍率性能和循环性能。在过去的几十年里，人们致力于提高硅基负极材料的电化学性能。例如将硅的颗粒尺寸减小到纳米级或者具有非晶结构特征，以释放由于体积变化过大而引起的结构应力。然而，纳米硅颗粒具有较大的表面能，容易发生团聚从而导致容量衰减，这也抵消了纳米颗粒的优势。此外，硅材料的纳米化也无法解决其导电性差的问题。因此，人们考虑将硅材料与其他材料通过合适的制备方法进行复合以得到硅基复合材料，利用其他材料的物理特性来改善单质硅的电化学性能。其中，较为理想的方法是将硅材料与结构稳定且导电性能优异的碳材料复合，在充分发挥硅材料高容量的同时，用碳材料缓解硅的体积膨胀效应并提供电子和锂离子的传输通道。然而，实际制备的硅碳复合材料在降低体积膨胀的同时首次效率仍偏低，电子导电率没有得到明显改善，而且硅内核与外壳碳在长期循环过程中容易出现材料剥离，从而影响其循环性能。为了解决该问题，中国专利申请CN106129367A公开了一种硅/碳纳米复合纤维，由碳纤维和硅纳米颗粒组成，在碳纤维表面形成有空心结构并嵌含有硅纳米颗粒，并且硅纳米颗粒与碳纤维之间存在空隙以容纳硅纳米颗粒的体积膨胀。该复合材料可以对碳纤维中的单个硅颗粒进行保护，且空隙结构的存在提高了复合材料的结构稳定性。但是该材料的制备工艺较为复杂，且导电性有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种多孔硅碳复合负极材料，解决了现有硅碳材料导电性差、结构不稳定的问题。

其次，本发明提供一种多孔硅碳复合负极材料的制备方法。

再次，本发明提供一种多孔硅碳复合负极材料在制备锂离子电池中的应用。

最后，本发明提供一种使用上述多孔硅碳复合负极材料的锂离子电池。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多孔硅碳复合负极材料，由包括以下步骤的方法制备得到：

(1)将聚合物、正硅酸乙酯、有机溶剂混合，得到前驱体溶液；

取前驱体溶液进行静电纺丝，得到纳米纤维膜；

(2)将纳米纤维膜分散在硅烷偶联剂溶液中，与纳米硅、导电剂混合均匀，之后进行水热反应，反应后用酸液清洗，干燥，得到硅氧化合物/纳米硅复合材料；

将硅氧化合物/纳米硅复合材料浸泡在氟化铵溶液中，取出后进行碳化处理，即得。