[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，所述硅碳复合材料的制备方法包括如下步骤：将含碳有机物和有机溶剂混合，配制有机溶液，将硅颗粒和所述有机溶液混合后进行固化，得到硅‑含碳有机物，所述含碳有机物中碳的质量分数高于50％；在惰性气体保护下，将所述硅‑含碳有机物进行碳化反应，得到硅碳复合材料。本发明提供的硅碳复合材料的制备方法，能够使硅颗粒嵌在无定形碳中，而无定形碳形成稳定的外壳和内部的三维骨架结构，并包裹嵌在其中的硅颗粒，从而使硅碳复合材料具有较高的结构稳定性，在充放电的过程中在无定形碳的保护下，能避免硅颗粒的体积膨胀严重，出现坍塌现象。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体而言，涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命等优点在便携式电子设备及电动汽车等领域得到了广泛应用，目前商业化的锂离子电池负极材料仍然时以石墨类碳材料为主，但是随着市场需求的不断提升，石墨类材料的研究与开发也接近极限，而且石墨较低的理论容量(372mAh/g)这一本质缺点也无法克服，石墨类碳材料已逐渐不能满足日益增加的电池容量与循环寿命需求，因此开发更高能量密度的负极材料迫在眉睫。

为了进一步提高锂离子电池的能量密度，选用高比容量的负极材料替代传统的石墨负极材料是一项关键措施。硅以其比容量高(4200mAh/g)、嵌锂电位低、原料来源广泛已经成为最具应用前景的负极材料。然而，硅在嵌脱锂过程中存在严重的体积效应，当其结合锂原子形成合金Li_4.4Si时，体积膨胀达300％，当锂离子脱出后发生体积收缩，持续的体积变化容易导致材料结构崩塌和电极材料从集流体剥落，造成电极的循环稳定性差，严重缩短了电池的寿命，并严重限制了其商业化应用。

发明内容

本发明旨在解决硅基负极材料在充放电过程中容易发生体积膨胀，使其容易坍塌，导致电池循环稳定性差的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将含碳有机物溶于有机溶剂中，配制有机溶液，将硅颗粒和所述有机溶液混合后进行固化，得到硅-含碳有机物，所述含碳有机物中碳的质量分数高于50％；

在惰性气体保护下，将所述硅-含碳有机物进行碳化反应，得到硅碳复合材料。

进一步地，所述硅颗粒采用如下方法制备得到：

将含硅生物质原料经过酸洗处理后，进行煅烧反应，得到硅前驱体；

在惰性气体保护下，将所述硅前驱体与镁粉进行镁热反应，得到所述硅颗粒。

进一步地，所述硅前驱体和所述镁粉的摩尔比为1：0.9-1.2，所述镁热反应的温度为600-900℃，所述镁热反应的时间为1-5h。

进一步地，所述含碳有机物为常温下呈半固态或液态的树脂类，且所述树脂类在加入固化剂后固化。

进一步地，所述有机溶剂为乙醇，制备所述硅-含碳有机物包括：将所述硅颗粒和所述有机溶液混合后，搅拌直至所述乙醇完全挥发，再加入固化剂进行固化，得到所述硅-含碳有机物，所述硅颗粒和所述含碳有机物中碳的质量比为1：1-10。

进一步地，所述碳化反应的温度为600-900℃，所述碳化反应的时间为1-5h。

本发明还提供了一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料采用如上任一项所述的硅碳复合材料的制备方法制备得到，所述硅碳复合材料为硅颗粒和无定型碳交联形成的二次颗粒，且所述无定型碳形成外壳和内部的骨架，所述硅颗粒嵌在所述无定型碳中。

进一步地，所述硅碳复合材料的粒径为5-15μm。

进一步地，所述硅颗粒的粒径为20-50nm，所述硅颗粒和所述无定形碳的质量比为1：1-10。