[发明专利]碳包覆型硅负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种碳包覆型硅负极材料及其制备方法与应用。所述负极材料制备方法：利用硅合金和酸制备多孔硅源，并利用熔融聚合物进行表面覆膜处理；将所得经过表面覆膜处理的多孔硅源、磺酸盐，加热活化磺酸盐，得到荷负电多孔硅溶液；向石墨、分散剂与季铵盐混合得到荷正电石墨溶液，再加入所得荷负电多孔硅溶液并搅拌，加热干燥，得到附多孔硅的石墨粉末；将所述附多孔硅的石墨粉末，混合气体氛围下进行加热碳化，退温得到所述碳包覆型硅负极材料。本发明通过设计合理的粒径的硅负极材料以及石墨负极材料进行多孔化硅的复合，提高抗压强度，减少硅负极材料制成极片时挤压材料开裂情况，降低电解液的消耗，提高硅负极片电极稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是指一种碳包覆型硅负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

目前，锂离子电池（LIBs）广泛应用于便携式设备、电子产品中，然而，仍然在电动汽车和可再生能源储存电网的应用中存在一些问题，包括能量密度、材料成本和使用安全等。因此，提高锂离子电池的能量密度和循环寿命是十分重要的方面。

硅（Si）具有优异的理论容量（4200 mAh/g），被开发为一个有吸引力的候选者负极材料之一，约为目前的10倍可用的商用石墨负极容量（约370 mAh/g），极具应用潜力。然而，在Li⁺合金化/脱合金反应期间，硅的大量体积变化（~300%）会导致负极材料结构破坏，并产生不稳定的固体电解质界面（SEI），导致容量迅速下降。目前来讲，采用各种策略提高硅的结构稳定：例如在碳包覆基础上，将硅颗粒尺寸从块状减小到纳米级，以便在Li⁺反应期间控制显著的体积膨胀和结构损坏，或辅以大孔结构，为硅负极材料的体积膨胀提供了充足空间，避免了应力集中而破坏结构。

然而，这些纳米硅以及大量的多孔结构会因纳米级别的硅基材料的比表面积过大，与电解液的接触面积增加，此外碳包覆型硅负极材料难免在制成极片时辊轮压力大导致材料碾压破裂，材料直接与电解液接触，副反应增多，增加了电解液的消耗，降低极片稳定性。因此如何设计硅负极材料粒径大小以及硅负极材料多孔化结构，提高抗压强度，减少硅负极材料制成极片时挤压开裂问题亟待解决。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种碳包覆型硅负极材料及其制备方法与应用。本发明通过设计合理的粒径的硅负极材料以及基于石墨负极材料的基础上进行多孔化硅的复合，提高抗压强度，减少硅负极材料制成极片时挤压材料开裂，降低材料直接与电解液接触，降低电解液的消耗，提高硅负极片电极稳定性。

本发明通过以下方案实现：

本发明的第一个目的在于提供一种碳包覆型硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）利用硅合金和酸制备多孔硅源，并利用熔融聚合物进行表面覆膜处理；

（2）将步骤（1）中所得经过表面覆膜处理的多孔硅源、磺酸盐混合，并活化磺酸盐，赋予材料表面带荷负电，最终得到荷负电多孔硅溶液；活化方法为本领域常规的方法，优选加热活化；

（3）将石墨、分散剂与季铵盐混合得到荷正电石墨溶液，再加入步骤（2）所得荷负电多孔硅溶液并搅拌，加热干燥，得到附多孔硅的石墨粉末；

（4）将步骤（3）所述附多孔硅的石墨粉末，在含有机气体的混合气体氛围下进行加热碳化，退温、过筛得到所述碳包覆型硅负极材料。

在本发明的一个实施例中，步骤（1）中，满足以下条件中的一种或多种：

1）、所述硅合金选自硅化镁、硅化铝、硅化钙和硅化铁中的一种或多种；所述硅合金的粒径为0.15μm~3μm；进一步的，所述硅合金中硅含量≥80wt%；

2）、所述酸选自盐酸、硝酸、磷酸、乙酸和甲酸中的一种或多种；