[发明专利]一种三维碳骨架硅基负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种三维碳骨架硅基负极材料及其制备方法，主要涉及锂离子电池领域。包括碳基架、覆盖在碳基架表面的多孔碳骨架层，还包括硅层和碳层，所述碳基架包括一维碳基架和/或二维碳基架；所述碳基架和其表面的多孔碳骨架层相互交叠形成三维的网状结构；所述硅层设置在多孔碳骨架层的孔洞的内壁上；所述碳层设置在硅层的表面以及整个硅基负极材料颗粒表面。本发明的有益效果在于：可以自支撑，且可以更好吸附硅材料，同时为其提供膨胀空间，避免硅基负极在循环过程中膨胀导致电极粉化，从而提升硅负极导电性并有效抑制其巨大的体积改变，具有高比容量和优异的循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，具体是一种三维碳骨架硅基负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有循环寿命长、工作电压高、比能量高、自放电低等优点，从而被广泛应用于电子产品、便携电动工具与电动汽车等领域。而随着电子科技的快速发展以及新能源汽车市场越来越大，市场对更高能量密度的锂离子电池的需求也越加迫切。然而目前商业化的锂离子电池使用的负极是石墨负极，其理论比容量仅为372mAh/g，无法满足高能量密度电池的要求。于是人们急于寻找一种具有高比容量的可以替代石墨的负极材料，其中硅由于具有比较高的比容量(4200mAh/g)且脱锂平台较低的优点被认为是下一代锂离子电池负极材料的理想选择。然而硅负极在脱嵌锂的过程中体积膨胀收缩率大于300％，从而使得其在锂电池中的循环性能差；此外硅的电子电导率与离子电导率较低，使得其倍率性能也较差。目前为了改善上述问题，人们将硅材料与碳材料复合。为了改善硅负极材料的电化学性能，国内外众多科研工作者付出了巨大的努力。其中，一种有效的改性方法为构造自支撑电极，在宏观与微观尺度协同优化电极结构。

专利CN109473633A公开了一种纳米硅基复合纤维负极材料的制备方法，将纳米硅基活性物颗粒与纳米纤维基体混合均匀，通过静电纺丝方法得到复合纳米纤维，经低温真空干燥除去溶剂，得到最终的锂离子电池负极材料。然而，使用静电纺丝方法面临成本高、生产效率低且电纺过程不可控因素多等弊端。

专利CN109524641A公开了一种柔性自支撑硅/石墨烯负极材料的制备方法，将纳米硅颗粒溶液与氧化石墨烯溶液混合均匀后抽滤得到硅/氧化石墨烯复合薄膜，将复合薄膜进行高温热处理得到柔性自支撑硅/石墨烯负极材料。但是，硅颗粒和石墨烯表面附着力差，长循环存在脱落的状态，导致电子接触变差，循环降低。

专利CN111430690B公开了一种自支撑硅/碳纳米管复合负极材料及其制备方法，将纳米硅溶液与碳纳米管溶液混合，过滤得到表面覆有硅/碳纳米管复合材料的滤膜；在上述得到的滤膜表面滴加使滤膜溶解的N,N-二甲基甲酰胺，得到硅/碳纳米管复合电极，干燥后得到自支撑硅/碳纳米管复合负极。但是该方法制备的硅/碳纳米管复合负极材料中的纳米硅采用的是商用纳米硅颗粒，颗粒尺寸较大，尽管有碳纳米管做支撑，仍然会使得材料的循环性能降低，此外，该复合材料中的纳米硅对碳纳米管的附着力很小，在应用于电池的充放电过程中，有可能会从碳纳米管上脱落，从而导致材料的电化学性能变差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维碳骨架硅基负极材料及其制备方法，它可以自支撑，且可以更好吸附硅材料，同时为其提供膨胀空间，避免硅基负极在循环过程中膨胀导致电极粉化，从而提升硅负极导电性并有效抑制其巨大的体积改变，具有高比容量和优异的循环性能。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种三维碳骨架硅基负极材料，包括碳基架、覆盖在碳基架表面的多孔碳骨架层，还包括硅层和碳层，所述碳基架包括一维碳基架和/或二维碳基架；

所述碳基架和其表面的多孔碳骨架层相互交叠形成三维的网状结构；

所述硅层设置在多孔碳骨架层的孔洞的内壁上；

所述碳层设置在硅层的表面以及整个硅基负极材料颗粒表面。