[发明专利]一种多孔硅/碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及了一种具有高比容量、循环稳定性的多孔硅/碳复合材料及其制备方法，用作锂离子电池负极材料，属于锂离子电池领域。

背景技术

随着各种便携式电子设备及电动汽车的广泛发展和快速应用，对化学电源的需求急剧增加，电池显得越来越重要，与其他电池体系相比，锂离子电池具有优异的电化学性能。电极材料是影响电池性能和成本的主要因素，研究和开发电极材料对锂电池的发展有重要意义。目前，商用锂离子电池一般采用中间相碳微球和改性石墨作为负极材料，但存在理论容量较低（石墨为372mAh/g），易于有机溶剂共嵌入等缺点，不能满足日益发展的高能量便携式移动电源的需求，因此高容量锂离子电池负极材料的研究与应用已成为提高电池性能的关键。在已知的锂离子电池负极材料中，硅具有最高的理论容量4200mAh/g，和较合适的脱嵌锂电位（0.1-0.5Vvs. Li/Li⁺），但其在充放电过程中由于体积膨胀易造成结构破坏，容量急剧衰减。

目前，为了缓解硅材料在充放电过程体积效应而引起的容量衰减，国内外对硅负极的研究主要集中在以下几个方面：（1）降低硅粉的粒径，如采用纳米硅粉，比容量可以到达1700mAh/g，但在随后的循环过程中纳米硅粉会重新团聚起来，产生新的体积效应。[H. Li, X.J. Huang, L.Q. Chen, Z.G. Wu, Y. Liang, Electrochem. Solid State Lett. 2(1999)547.]（2）制备特殊形貌的纳米结构的硅材料，如硅纳米管，硅纳米线，多孔硅等，但此种方法所需成本较高，且产量较少，只适合实验室研究。[C.K. Chan, H.L. Peng, G. Liu, K. McIlwrath, X.F. Zhang, R.A. Huggins, Y. Cui, Nat.Nanotechnol. 3(2008)31; M. H. Park, M. G. Kim, J. Joo, K. Kim,J. Kim, S. Ahn,Y. Cui, J. Cho, Nano Lett. 9(2009)3844.]（3）将硅与一种良好电子电导的材料复合，活性物质之间电荷转移电阻显著降低，但这种具有良好电子电导材料的成本较高，不适合大规模生产。[Y. Yu, L. Gu, C. B. Zhu, S. Tsukimoto, P. A. van Aken, J. Maier, Adv. Mater. 22(2010)2247] (4)将硅与有机碳源复合，然后热解制备硅/碳复合材料，此种复合材料既具有硅材料的高容量，又具有碳材料的良好的循环稳定性和电子电导，成本多年来的研究热点[S. L. Chou, J. Z. Wang, M. Choucair, H. K. Liu, J. A. Stride, S. X. Dou, Electrochem. Commun. 12(2010)303; J. K. Lee, K. B. Smith, C. M. Hayner, H. H. Kung, Chem. Commun. 46(2010)2025; X. L. Yang, Z. Y. Wen, X. X. Xu, B. Lin, Z. X. Lin, J. Electrochem. Soc. 153 (2006) A1341]。专利CN1891668A也报道了硅碳复合材料的制备，但这种方法制备的硅碳复合材料，硅含量较低，导致硅碳复合材料的比容量较低，且是纳米或微米硅粉与碳复合，本发明报道了一种多孔硅/碳复合材料的制备，增强了循环稳定性和比容量。专利CN101533907A报道了采用金属镁粉还原硅的氧化物，本发明提出可以采用其它金属如铝、钾、钠等还原多孔的二氧化硅，制备多孔硅材料，多孔硅材料可以有效地缓解锂离子电池充放电过程中的体积膨胀问题，增强循环稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高容量，循环稳定性好，安全性好的多孔硅/碳复合材料。

一种多孔硅/碳复合材料的方法，其特征在于，包括多孔硅基体以及表面包覆的碳材料，多孔硅/碳复合材料中硅含量为50-99.99%，碳含量为0.01-50%；所述的多孔硅为球形，棒状；球形多孔硅基体的平均粒径为50纳米-5微米，孔径为1 -10纳米；棒状多孔硅的直径为50纳米-1微米，长度为50纳米-5微米，孔径为1 -20纳米；表面包覆的碳材料为有机碳源热解所得。

一种制备多孔硅/碳复合材料的方法，其工艺步骤为：