[发明专利]一种纳米硅复合材料、其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种纳米硅材料，所述纳米硅材料具有二级结构；其一级结构为片状纳米硅材料，二级结构由一级结构通过范德华力结合得到。本发明提供的纳米硅材料，具有一级的片层纳米结构有效的降低了硅负极材料的体积膨胀率，提高了锂离子电池的使用寿命，而二级结构中，一级的片层结构进行堆叠后，提高了硅负极材料的体积容量，进而提高了锂离子电池的电容量。

技术领域

本发明涉及纳米硅材料领域，尤其是涉及一种纳米硅复合材料、其制备方法和用途。

背景技术

锂离子电池具有高电压、高比容量、长循环寿命等优点，是目前较为流行的储能电池。但为了提高其在低碳环保、节能减排的表现，进一步提高锂离子电池的能量密度、循环寿命是本领域的发展方向。

负极材料是锂离子电池的重要组成部分，而目前使用最广泛的负极材料是石墨，但其能够实现的比容量已经接近石墨的理论值，能够提高的程度有限。在众多的替代材料中，硅材料以其4212mAh/g的高理论比容量受到重视，同时硅具有较低的放电电位(370mV，Li/Li⁺)，也使其能够更适用于高功率输出的应用场景。

但是，硅作为锂离子电池的负极材料时，在锂化和去锂化过程中体积膨胀和收缩严重，影响了其使用。如何降低硅的体积膨胀是硅材料在锂离子电池应用方面亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米硅复合材料，其具有特定的二级结构，解决其在用作锂离子电池负极材料时，体积膨胀带来的锂离子电池循环效率低的问题。

第一方面，本发明提供了一种纳米硅复合材料，其具有二级结构；其一级结构为片状纳米硅材料，二级结构由一级结构通过有序组装得到。

硅的储锂机制是经过与锂离子的合金化和去合金化进行的，即在充放电过程中，锂离子与晶体硅生成硅锂合金，尤其是与硅材料内部的硅生成硅锂合金，在这一过程中，硅负极材料体积增大了近3倍。而在片状硅材料中，锂离子倾向于沿着垂直于薄膜方向进行脱嵌锂，本发明通过将硅材料尺寸缩小至纳米级别，并且进行片层化，获得片状纳米硅复合材料，从而有效降低硅的体积效应。

优选地，所述片状纳米硅材料的片径尺寸≤100nm(例如90nm、80nm、70nm、60nm、50nm、40nm、30nm、20nm、10nm、5nm等)，径厚比≥10(例如12、15、17、19、22等)。

100nm以内的片径尺寸具有表面原子比例大的优势，在锂电池的反应中，主要是表面原子参与反应，因此体积膨胀较少。大于100nm后,纳米材料内部的原子大量参与反应，体积膨胀率会大大增加；径厚比≥10的片状纳米硅材料的厚度在10纳米以内，即所述片状纳米硅材料更薄，从而更好的抑制硅材料作为锂离子电池负极时的体积膨胀。

优选地，所述二级结构中，一级结构以层叠方式结合成复合硅片；或者，所述二级结构中，一级结构以组装方式结合成复合硅颗粒。

在所述硅片结构中，所述片状纳米硅复合材料的堆积方式更一致，即更多的是以片片叠加的形式进行堆积，形成硅片；而所述的颗粒状纳米硅复合材料中，所述片状纳米硅材料的堆积方式是随机的，出现边片结合的形式进行堆积，形成硅颗粒。

优选地，所述硅片厚度为10nm～500nm(例如20nm、50nm、70nm、140nm、180nm、230nm、270nm、350nm、390nm、440nm、480nm等)，径厚比≥10(例如12、15、17、19、22等)。

硅片厚度低于10nm，纳米材料会团聚严重，且在制备电极时存在难以成型的问题，高于500nm会由于材料内部原子参与反应的比例过大而引起体积的剧烈膨胀，从而导致材料的可循环性变差。