[发明专利]硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，其中硅碳复合材料包括纳米硅、石墨和碳酸锂，纳米硅、石墨和碳酸锂通过聚合物包覆后，经碳化得到硅碳复合材料；其制备方法为将石墨、碳酸锂、纳米硅混合得到碳酸锂/硅/石墨混合物；将碳酸锂/硅/石墨混合物分散到聚合物溶液中，经干燥得到前驱体材料；将前驱体材料进行碳化得到碳硅复合材料。本发明的硅碳复合材料具有较高的导电性能兼具较为优异的循环稳定性，可应用于制备制备锂离子电池。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池作为一种环境友好的化学能源，具有体积小、能量密度高、循环寿命长等优点，被认为是一项非常有前景的储能方向。目前锂离子电池已经被普遍使用在3C领域，在HEV和EV领域也得到越来越大规模的应用。同时，随着通信技术的快速发展和各国政府对EV的大力推进，对锂离子电池能量密度、功率密度和循环寿命的要求也越来越高。相对于正极材料较为成熟的研究，传统的碳负极材料由于其理论容量较低而成为限制电池容量的制约因素。理想的负极材料应具有成本低、安全性高、能量密度高、循环寿命长的特性。硅基材料是一种很有潜力的负极材料。硅储量丰富，安全性高，且具有比传统的碳负极（372mAhg-1）高10倍、比钛酸锂负极（175mAhg-1）高20倍的理论比容量（4200mAhg-1）。此外，硅基负极对锂的电位适中，其起始电位为0.3~0.4V vs. Li/Li+，这种适中的电位能避免像石墨，电极（0.05V vs. Li/Li+）一样发生锂沉积，影响安全性能；同时也避免了发生如钛酸锂电池（1.5V vs. Li/Li+）的能量损失。尽管有以上优点，硅与锂合金化/去合金化时巨大的体积变化（高达300%）会引起硅的破裂和粉碎，导致电接触的损失和最终的容量衰减。通常能通过降低硅材料尺寸和将硅与其他材料复合来达到改进硅基材料循环性能的目的。将硅的尺寸降至纳米级后与碳质材料进行复合化，一方面能利用碳材料的高导电性提高复合材料的电导率，另一方面也能作为基质缓冲硅基材料的体积变化。但是纳米硅的表面活性较高，易发生团聚，导致硅材料不能很好地分散在碳材料中。现有的方法很难使硅分布于碳之中或均匀包覆在载体上，仍然不能完全避免硅在可逆充放电过程中结构的缓慢破坏。

针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种具有较高的导电性能兼具较为优异的循环稳定性的硅碳复合材料。还提供了该硅碳复合材料的制备方法，以聚合物热解后形成有机碳包覆在石墨、碳酸锂、纳米硅的表面，起到粘结纳米硅与石墨的作用，同时碳包覆减少了球磨后材料的表面积，降低了副反应的发生，此外碳材料也提高了纳米硅的导电率。因此，本发明的硅碳复合材料可应用于制备锂离子电池。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种硅碳复合材料，包括纳米硅、石墨和碳酸锂，所述纳米硅、石墨和碳酸锂通过聚合物包覆后，经碳化得到硅碳复合材料。

做为一个总的技术构思，本发明还提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将石墨、碳酸锂、纳米硅混合得到碳酸锂/硅/石墨混合物；

S2、将所述碳酸锂/硅/石墨混合物分散到聚合物溶液中，经干燥得到前驱体材料；

S3、将所述前驱体材料进行碳化得到碳硅复合材料。

上述的制备方法，优选的，所述S1步骤具体为：

S1-1、将纳米硅和分散剂混合后，分散在溶剂中超声得到纳米硅分散液；

S1-2、将碳酸锂和石墨混合后，分散在溶剂中得到碳酸锂/石墨分散液；

S1-3、将所述纳米硅分散液和碳酸锂/石墨分散液混合后，烘干，在惰性气氛下球磨得到碳酸锂包覆硅/石墨混合物。