[发明专利]硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及硅碳复合材料及其制备方法和应用。硅碳复合材料的制备方法包括：液态碳源、单晶硅和造孔剂混合均匀后进行喷雾干燥造粒，得到球形混合料；球形混合料经过高温碳化处理后，得到碳包覆硅的多孔材料；碳包覆硅的多孔材料浸入氢氟酸中，反应后固液分离，得到刻蚀后的碳包覆硅的多孔材料；将含有导电剂和高分子化合物的纺丝液进行纺丝，得到纤维纺丝；纤维纺丝、刻蚀后的碳包覆硅的多孔材料和有机溶剂混合均匀后喷雾干燥，得到硅碳复合材料。采用上述制备方法制得的硅碳复合材料导电性能好，比容量高，首效高，且循环稳定性能好。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及硅碳复合材料及其制备方法和应用；更具体地，涉及硅碳复合材料及其制备方法、锂离子电池。

背景技术

近年来，锂离子电池因比能量大、工作电压高、自放电能力小、无记忆效应以及绿色环保等优点在新能源领域成为研究热点。目前，在商业领域大规模应用的是人造石墨负极材料。人造石墨具有原料来源广泛、价格低廉、循环效率高和导电性好等优点，但是，其理论比容量偏低(只有372mAh/g)，倍率性能差，不适应大电流充放电，不能很好应用的动力电池上。针对这一缺点，研发人员把目光转移到了硅基材料。硅基材料是目前发现比容量最高的负极材料。正常情况下，硅负极的首次脱锂容量能达到3000mAh/g，大约是人造石墨的十倍。因此，硅基材料研发具有十分重要的意义。但是硅基材料存在如下问题：首先是其在嵌/脱锂过程中体积膨胀严重，导致可逆性能很差，容量在循环过程中衰减很快。在此过程中，硅基材料内部的结构遭到破坏，导致稳定性和循环能力变差。其次，硅是半导体材料，导电性能差，不利于锂离子的快速迁移。

针对人造石墨理论比容量偏低以及硅基材料体积膨胀严重、导电性能差等问题，可以把人造石墨和硅基材料有机的结合起来。石墨良好的结构稳定性以及硅高的理论比容量，Si/C负极材料结合两者的优点更加具有很好的应用前景。目前生产上较为普遍的改善方法是将硅材料与碳材料复合成为硅碳负极材料。

但是，现有方法获得的硅基负极材料在实际应用时，孔结构常不足以缓解硅材料的膨胀，且硅与碳材料接触不牢靠，硅的膨胀导致了差的导电性及循环稳定性等问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种硅碳复合材料的制备方法，通过采用液态碳源对单晶硅进行包覆，避免了硅与碳材料接触不牢靠的问题；通过引入造孔剂，并使用氢氟酸进行刻蚀，采用两次制孔的手段，再将导电剂引入孔洞结构中，形成了快速传递锂离子的网络结构，实现了锂离子在官能团上快速扩散跃迁，减少了负极界面固态电解质膜膨胀破裂的发生和锂离子消耗。

本发明的第二目的在于提供一种硅碳复合材料，该硅碳复合材料具有导电性能好，比容量高，首效高以及循环稳定性能好等优点。

本发明的第三目的在于提供一种锂离子电池。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(a)、液态碳源、单晶硅和造孔剂混合均匀后进行喷雾干燥造粒，得到球形(还包括类球形)混合料。

其中，液态碳源一方面作为碳源，另一方面也作为分散剂用于分散单晶硅和造孔剂。造孔剂可在高温下分解形成碳，并形成类球形气孔(孔洞结构)。

喷雾干燥在使混合物料形成球形和/或类球形的同时，还使液态碳源包覆在单晶硅表面。

所述球形混合料为含有液态碳源、单晶硅和造孔剂的混合物料。其中，球形混合料中的液态碳源会包覆在单晶硅的表面，形成液态碳源包覆层。

所述球形混合料经过高温碳化处理后，液态碳源包覆层分解形成碳包覆层，碳包覆层包覆在单晶硅的表面，同时液态碳源和单晶硅之间的造孔剂分解形成孔洞结构(第一孔洞)，即得到碳包覆硅的多孔材料。