[发明专利]一种高倍率硅氧碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高倍率硅氧碳材料及其制备方法和应用。本发明的高倍率硅氧碳材料为多层核壳结构，从内到外依次为氧化亚硅核、导电三维网络、多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层、致密碳层。本发明高倍率硅氧碳材料中导电三维网络可以提高材料电导率，减低极化，提高比容量；多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层均匀包覆有效抑制颗粒的膨胀，并维持膨胀后碳包覆层的完整性，也可进一步提高复合材料的电导率；高分子聚合物碳化层可以形成完整、光滑的致密包覆层，起到抑制膨胀、减少比表面积、提高导电性，降低材料的副反应的作用。综合我们可以得到高导电性，低膨胀，低比表面积的氧化亚硅材料，进而可以有效提高锂离子电池的倍率性能。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种高倍率硅氧碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池由于其比容量大，使用寿命长，安全性高，方便携带等诸多优点，已成为当前世界研究的热点，并广泛应用于各种电子设备，电动汽车以及便携储能设备中。

硅基材料作为新型的锂离子二次电池负极材料，相对石墨其有更高的比容量，但其缺陷也是相当明显，体积膨胀大，倍率性能差，首次充放电效率低，且在充放电过程中，活性材料容易粉化、脱落严重影响其使用寿命。作为硅基材料的氧化亚硅负极材料，相对纳米硅，其整体的体积膨胀相对较小，在后期生产改进中具有更大的优势。

氧化亚硅材料相对石墨依然有较高的理论比容量(大于2000mAh/g)，但是其缺陷也是非常明显，其循环性能，倍率性能则比石墨差很多，另外其首周效率远低于石墨材料，主要原因在于氧化亚硅材料在首次充放电过程中锂离子会与硅氧材料反应生成Li₂O和Li₂SiO₄，消耗较多活性锂导致首周效率低。因此当前研究人员对氧化亚硅负极材料研究主要集中在材料的循环性能，倍率性能改善以及首次效率提升方面，这也是当前氧化亚硅负极材料研究的重难点。究其原因主要是氧化亚硅具有低导电性、高膨胀、易与电解液反应等缺陷。

因此，需要开发一种低膨胀、低比表面积和电化学性能好的氧化亚硅的负极材料适于规模化生产的锂电池负极材料。

发明内容

针对上述现有技术存在的局限性，本发明提供一种高倍率硅氧碳材料及其制备方法和应用。本发明的高倍率硅氧碳材料利用高导电性的材料，对氧化亚硅进行表面包覆；先包覆一层导电三维网络，再包覆一层均匀的多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层，最后再包覆一层高分子聚合物碳化层，其中，导电三维网络可以提高材料电导率，减低极化，提高比容量，多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层均匀包覆有效抑制颗粒的膨胀，并维持膨胀后碳包覆层的完整性，同时提高复合材料的电导率；高分子聚合物碳化层可以形成完整、光滑的包覆层，碳化后的致密包覆层起到抑制膨胀、减少比表面积、提高导电性，降低材料的副反应的作用。综合我们可以得到高导电性，低膨胀，低比表面积的氧化亚硅材料，进而可以有效提高锂离子电池的倍率性能。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一是提供一种高倍率硅氧碳材料，所述硅氧碳材料为多层核壳结构，所述多层核壳结构从内到外依次为氧化亚硅核、导电三维网络、多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层中的至少一种、致密碳层。

本发明中第1包覆层为导电三维网络，导电三维网络具有高电导性，可以提高材料电导率，减低极化，提高比容量。

本发明中第2层包覆采用机械融合的方式，将沥青等多孔碳层的碳源均匀负载含第1包覆层的复合材料表面形成完整的包覆层，完整的包覆层起到抑制材料膨胀，并防止电解液与氧化亚硅接触，同时维持膨胀过程中的颗粒完整；当多孔碳层中加入导电剂时，可以进一步提高导电性能。

本发明中第3层包覆层为液相包覆的致密高分子碳化层，具有完整、光滑的包覆层结构，有效抑制氧化亚硅的膨胀，并降低表面积，提高导电性。