[发明专利]一种用于二次锂电池的复合材料及制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种用于二次锂电池的复合材料及制备方法和应用；所述复合材料包括：复合材料包括：多孔碳基体，以及SiOsubgt;x/subgt;颗粒；0x1.5；所述SiOsubgt;x/subgt;颗粒均匀分散在多孔碳基体的多孔结构中，SiOsubgt;x/subgt;颗粒尺寸大小为2‑80nm，由硅氧烷沉积在所述多孔碳基体上再通过电解方式还原制得；多孔碳基体中的孔径范围为2‑100nm；所述SiOsubgt;x/subgt;颗粒的外层的空隙结构的尺寸通过控制对所述硅氧烷的电解过程进行调整，空隙的宽度为1‑100nm，所述空隙结构用以缓解所述SiOsubgt;x/subgt;颗粒在所述二次锂电池充放电中的体积效应。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种用于二次锂电池的复合材料及制备方法和应用。

背景技术

如今，随着经济和社会的不断发展，人类进入了一个对能源迫切需求的时代。然而，化石燃料不仅造成了严重的污染和温室效应，而且储量有限，所以我们不能只依靠化石燃料提供能源。为了减少对化石燃料的依赖，人们在汽车电气化方面做了很大的努力，相应的储能装置还在探索中。在这些新开发的储能装置中，具有高能量密度的锂离子电池已成为应用最广泛的储能装置。目前，锂离子电池石墨负极材料的理论容量约为372mAh g^-1，由于电极容量的限制，锂离子电池的发展受到了阻碍。随着锂离子电池对能量需求的不断增加，商用电极的有限容量成为研究人员面临的瓶颈。

硅基材料是锂离子电池中最有前途的负极材料之一，首先，硅具有超高的理论容量4200mAh g^-1，远远高于石墨。其次，硅基材料较低的工作电位(相对于Li/Li⁺≈0.37V)有利于拓宽锂离子电池的工作电压。此外，以矿物形式存在的硅资源丰富，可降低原料的成本。然而，在放电过程中形成硅和锂的合金会导致体积膨胀高达300％。并且硅负极材料的反复收缩和膨胀会导致裂纹形成直至粉碎材料，从而破坏活性物质与集流体之间的电接触，导致容量快速衰减。

利用小尺寸的硅并将其封装在碳材料中是最有效的方法之一，因为它不仅可以减小表面裂痕的产生，而且还结合了硅(高容量)和碳(良好的导电性)的优点。然而，由于比表面能较大，将纳米硅和碳材料均匀分散成为难点。专利CN 104269521B提出将硅粉挤压进块状石墨颗粒表面的孔洞中，再以沥青为包覆剂进行复合，最终得到碳/硅/块状石墨负极材料。该材料在一定程度上缓解了硅基负极在脱嵌锂过程中体积变化而导致的循环稳定性差的问题。然而，该方法依旧没有解决硅与碳材料均匀分散的问题，性能提升效果不明显。

发明内容

本发明实施例提供了一种用于二次锂电池的复合材料及制备方法和应用。该材料充分发挥了氧化亚硅材料的优势，解决了易团聚难分散的问题。同时，在电解过程中可以控制其还原程度以及硅氧材料四周形成空隙的大小，给SiO_x的体积膨胀预留了空间，有效改善了体积效应对碳壳层的破坏，进而保持整体结构的完整性。本发明的复合材料用作锂离子电池负极，可以有效提高电池的倍率性能和循环性能。

第一方面，本发明实施例提供了一种用于二次锂电池的复合材料，所述复合材料包括：多孔碳基体，以及SiO_x颗粒；0x1.5；

所述SiO_x颗粒均匀分散在多孔碳基体的多孔结构中，SiO_x颗粒尺寸大小为2-80nm，由硅氧烷沉积在所述多孔碳基体上再通过电解方式还原制得；多孔碳基体中的孔径范围为2-100nm；

所述SiO_x颗粒外层的空隙结构的尺寸通过控制对所述硅氧烷的电解过程进行调整，空隙的宽度为1-100nm，所述空隙结构用以缓解所述SiO_x颗粒在所述二次锂电池充放电中的体积效应。

优选的，所述复合材料的外部还具有碳包覆层；所述碳包覆层的质量占所述复合材料的质量的0-20％。