[发明专利]碳/硅复合锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，更具体地说是一种碳/硅复合锂离子电池负极材料的制备，本发明还涉及采用所述的碳/硅复合锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子二次电池作为一种新型电源系统，已经广泛应用于各个领域，特别是在各种便携式微电子器材上。随着微电子工业的迅速发展，对其电源系统的要求也越来越高，预计在未来的几年内，锂离子电池容量要增加两倍才能满足其需求。

目前商业化锂离子电池负极材料采用的是石墨类碳材料，其理论比容量只有372mAh/g，因而限制了锂离子电池比能量的进一步提高，不能满足日益发展的高能量便携式移动电源的需求。硅是一种最有希望取代碳材料的负极材料，这是因为硅具有高达4200mAh/g的最高容量；并且具有类似于石墨的平稳的放电平台。但与其它高容量金属相似，硅的循环性能非常差，不能进行正常的充放电循环。硅作为负极材料使用时，在充放电循环过程中，Li₂Si合金的可逆生成与分解伴随着巨大的体积变化，会引起合金的机械分裂(产生裂缝与粉化)，导致材料结构的崩塌和电极材料的剥落而使电极材料失去电接触，从而造成电极的循环性能急剧下降，最后导致电极失效，因此在锂离子蓄电池中很难实际应用。研究表明，小粒径的硅或其合金无论在容量上还是在循环性能上都有很大的提高，当合金材料的颗粒达到纳米级时，充放电过程中的体积膨胀会大大减轻，性能也会有所提高，但是纳米材料具有较大的表面能，容易发生团聚，反而会使充放电效率降低并加快容量的衰减，从而抵消了纳米颗粒的优点；采用各种沉积方法制备的硅膜能够在一定程度上延长材料的循环寿命，却不能消除其较高的首次不可逆容量，从而制约了这种材料的实用化。另外一种改善硅负极性能的研究趋势就是制备硅与其它材料的复合材料或合金，其中，结合碳材料的稳定性和硅的高比容量特性而制备的硅/碳复合材料显示了巨大的应用前景。现在文献报道的硅/碳复合材料的制备工艺主要有以下几方面。

1.机械球磨

这种方法是把硅粉和碳或碳化硅混合后，直接球磨成纳米复合材料。硅粉和碳材料经过高能机械球磨后，能够以纳米尺度相互均匀分散。由于纳米尺寸的硅粉周围包围着碳材料，从而可以抑制由于插锂和脱锂引起的体积变化，在一定程度上改善硅材料的循环性能。随着硅含量的增加，硅/碳复合材料的比容量增加，但循环稳定性变差。同时，复合材料中两种组分的晶体结构、尺寸及相容性决定着材料的最终性能。

这种方法制备的复合材料存在的主要问题是：由于比表面积较大，而且不能完全防止球磨过程中的微量氧化，因此首次不可逆容量大。

2.高聚物包裹硅粉进行碳化

这种方法可以把硅粉很好地分散在碳基质中，改善其循环性能；但由于高聚物碳化后形成的是无定形碳，不能完全体现石墨碳材料的稳定性和导电性，并且可能由于无定形结构而增加复合材料的首次不可逆容量，因此综合性能并不理想。

3.沥青作为粘结剂粘结硅粉和石墨后进行碳化

沥青不但可以作为粘结剂均匀结合石墨和硅，而且碳化后还起到表面涂层的作用。但沥青低温碳化产物同样为无定形结构，并且沥青作为粘结剂对碳和硅的粘结作用有限，因此所制备的材料性能还有待于进一步提高。

4.CVD涂层

直接利用CVD方法，对硅或硅/碳混合物进行碳膜包裹。涂层后，硅的循环性能改善，但由于涂层量较少，不能完全体现碳基体作用，所制备的材料性能较差，但通过这种方法制备的材料可以研究硅/碳复合材料储锂机理。

因此，碳/硅负极材料实际应用存在着许多需要解决的问题，迄今这些问题还没有得到有效解决。

所以，需要提供一种易于工业化、制备工艺简单，并且具有高比容量、高首次循环效率和循环寿命长的碳/硅复合锂离子电池负极材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉、具有高比容量、高首次循环效率和循环寿命长的碳/硅复合锂离子电池负极材料。

本发明的另一目的是提供上述碳/硅复合锂离子电池负极材料的制备方法。采用这种制备方法能够在碳基体中原位生成纳米硅颗粒，并且由于制备过程中材料的自组装作用，硅颗粒与碳基体能够紧密结合，赋予碳/硅复合锂离子电池负极材料同时具备碳材料的稳定性和硅的高比容量特性。

本发明涉及一种碳/硅复合锂离子电池负极材料，其特征在于它组成如下：

碳            40-100重量份

硅            15-60重量份