[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。所述的硅碳复合材料包括纳米硅‑多孔碳复合材料内核，以及包覆在所述纳米硅‑多孔碳复合材料内核表面的碳包覆层；其中，所述纳米硅‑多孔碳复合材料内核中的纳米硅至少部分容置在多孔碳的孔内；所述多孔碳的孔径为5～500nm；所述纳米硅的D50粒径为5～200nm。该硅碳复合材料不仅改善了材料充放电过程中体积膨胀问题，而且提高了材料的导电性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，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

新能源汽车销量不断增长的同时，新能源汽车等大型器件对锂离子电池提出更高倍率的充放电等要求。为了提升锂离子电池的性能，提高负极的电化学性能是最方便、最有效的。目前商业化的锂离子二次电池普遍采用石墨，然而这类材料比容量较低(如石墨理论容量372mAh/g)，不能满足高能量密度电池的需求，因此开发高比容量的新型负极备受瞩目。

硅碳负极材料的理论储锂容量最高可达到4200mAh/g，比目前广泛使用的石墨类负极材料高出10倍有余。其产业化后，将大大提升电池的容量，满足终端对电池容量日益增长的需求。

但是，除了电子和离子导电性差外，在脱嵌锂过程中，硅会产生严重的体积变化(300％)，进而导致材料粉化，与集流体和导电剂失去电接触，致使容量迅速衰减。

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，一方面改善了材料充放电过程中体积膨胀问题，另一方面提高了材料的导电性。解决了现有技术中在脱嵌锂过程中硅产生严重的体积变化进而导致材料粉化，与集流体和导电剂失去电接触，致使容量迅速衰减的问题。

本发明的第二目的在于提供一种硅碳复合材料的制备方法，该制备方法具有操作简单、流程短、易大批量生产以及制得的硅碳复合材料的首效高、循环性能好等优点。

本发明的第三目的在于提供一种负极极片。

本发明的第四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，包括纳米硅-多孔碳复合材料内核，以及，包覆在所述纳米硅-多孔碳复合材料内核表面的碳包覆层。

其中，所述纳米硅-多孔碳复合材料内核主要由纳米硅和多孔碳组成，多孔碳具有孔洞结构，所述纳米硅-多孔碳复合材料内核中的纳米硅至少部分容置(分散)在多孔碳的孔(孔洞结构)内。

所述多孔碳的孔径为5～500nm；包括但不限于10nm、15nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、480nm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

所述纳米硅的D50粒径为5～200nm，包括但不限于10nm、15nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm中的任意一者的点值或任意两者之间的范围值。

本发明提供的硅碳复合材料，利用复合材料各组分间的协同效应，一方面改善材料充放电过程中体积膨胀问题，另一方面提高材料的导电性。解决了现有技术中存在的在脱嵌锂过程中硅会产生严重的体积变化，进而导致材料粉化，与集流体和导电剂失去电接触，致使容量迅速衰减的问题。

具体地，多孔碳可以改善硅碳复合材料的导电性，同时能够有效的缓解硅碳复合材料的体积膨胀，有利于保持整个硅碳复合材料的导电网络的畅通，从而提高了其循环性能。