[发明专利]一种无定形硅碳复合材料及其制备方法和应用、锂离子二次电池

说明书

本发明提供了一种无定形硅碳复合材料及其制备方法和应用、锂离子二次电池，属于电极材料技术领域。本发明将树脂、含氮化合物与溶剂混合，在80～250℃、2～10MPa条件下进行造孔处理，再经碳化处理得到无定形多孔碳材料；在硅烷类物质存在条件下，对所述无定形多孔碳材料在500～800℃、0.5～10MPa条件下进行硅包覆处理，在所述无定形多孔碳材料的表面和孔道中形成无定形纳米硅层，之后在有机碳源存在条件下，对所得无定形硅碳前驱体进行碳包覆处理，得到无定形硅碳复合材料。采用本发明方法制备的无定形硅碳复合材料作为负极材料使用时，能够减少硅材料嵌锂过程的体积膨胀变化，可有效提高负极材料的循环性能。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种无定形硅碳复合材料及其制备方法和应用、锂离子二次电池。

背景技术

传统锂离子电池负极材料为石墨材料，但其理论容量较低(372mA·h/g)，无法满足于市场的需求。硅材料因其高的理论比容量(4200mA·h/g)、相对较低的锂化/去锂化电位、储量丰富和价格低廉等特点被认为是下一代最有发展潜力的高能量密度锂离子电池的负极材料。然而，硅材料在锂化/去锂化过程存在较大的体积变化(＞300％)，巨大的内部应力易使材料破碎、粉化，导致活性材料从电极上脱落，失去电接触而失活；表面的SEI膜在循环过程中的随体积变化反复破裂形成，导致电池中活性锂和电解液的持续消耗以及SEI膜的持续增厚，进而阻碍活性物质的电接触，导致电池循环稳定性的降低。

因此，降低硅材料体积膨胀效应和提升循环性能对硅材料在锂离子电池中的应用有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无定形硅碳复合材料及其制备方法和应用、锂离子二次电池，采用本发明方法制备的无定形硅碳复合材料作为负极材料使用时，能够减少硅材料嵌锂过程的体积膨胀变化，可有效提高负极材料的循环性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种无定形硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将树脂、含氮化合物与溶剂混合，进行造孔处理，得到前驱体材料；所述造孔处理的温度为80～250℃，压力为2～10MPa；

将所述前驱体材料进行碳化处理，得到无定形多孔碳材料；

在硅烷类物质存在条件下，对所述无定形多孔碳材料进行硅包覆处理，在所述无定形多孔碳材料的表面和孔道中形成无定形纳米硅层，得到无定形硅碳前驱体；所述硅包覆处理的温度为500～800℃，压力为0.5～10MPa；

在有机碳源存在条件下，对所述无定形硅碳前驱体进行碳包覆处理，在所述无定形硅碳前驱体中无定形纳米硅层的表面形成无定形碳层，得到无定形硅碳复合材料。

优选地，所述树脂包括聚氯乙烯树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂和聚酰胺树脂中的一种或多种，所述含氮化合物包括铵盐和/或三聚氰胺；所述树脂、含氮化合物与溶剂的摩尔比为1～10：0.1～5：1～50。

优选地，所述造孔处理的温度为80～250℃，压力为2～10MPa，保温保压时间为2～10h。

优选地，所述碳化处理包括依次进行第一碳化处理和第二碳化处理；所述第一碳化处理的温度为200～600℃，保温时间为1～5h；所述第二碳化处理的温度为900～1200℃，保温时间为1～5h。

优选地，所述硅烷类物质包括三(三甲硅基)硅烷、甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、三氯化硅、氯硅烷、六甲基二硅烷、甲基乙烯基二氯硅烷、二甲基乙烯基氯硅烷和乙烯基三氯硅烷中的一种或多种；所述硅包覆处理的保温保压时间为1～5h。

优选地，所述有机碳源包括甲烷、乙炔、甲苯、葡萄糖、石油沥青和中间相沥青中的一种或多种；所述碳包覆处理的温度为500～800℃，压力为0.5～10MPa，保温保压时间为0.5～3h。