[发明专利]用于制备锂离子电池负极的SiOC陶瓷材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料领域及电池领域，尤其涉及一种用于制备锂离子电池的SiOC陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池与传统二次电池相比，具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应、无污染和自放电小等优点，因而其应用越来越广泛。目前商用的锂离子电池负极材料为碳类负极材料，其理论容量仅为372mAh/g，且已开发接近理论值，不能适应目前各种便携式电子设备的小型化发展和电动汽车对大容量高功率化学电源的广泛需求。因此，寻找可以代替碳材料的新型负极材料体系势在必行。

硅是理想的负极候选材料之一，其具有以下优点：

（1）容量密度最高，同类电池用它做负极比其它负极材料能获得更高的容量密度；

（2）电化学脱嵌锂过程中，材料不易团聚；

（3）其放电平台略高于碳类材料，在充放电过程中不易引起锂枝晶在电极表面的形成；

（4）硅在自然界的含量丰富，原料价格低廉。

然而，硅材料的首次库伦效率较低、循环性能较差，这些缺陷限制了它的实际应用。目前，妨碍硅基材料作为锂离子电池负极材料的原因主要有三个：

首先，硅在充放电循环过程中存在的严重体积效应导致材料结构的坍塌；

其次，硅在嵌脱锂过程中发生由晶态向无序态的不可逆转变致使材料的结构严重破坏；

第三，硅的导电性能差，且与锂反应不均匀降低了硅材料的循环性能。

为了克服上述缺点，国内外科研人员开展了大量的研究，而硅复合材料因具有较高的体积能量密度、较好的循环性能成为硅基复合材料研究的一个热点。因此，选择和开发性能更加优异、稳定的硅复合材料以更好地应用于锂离子电池的制备，这便成为本领域人员所关注的焦点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可用于制备高比容量和高循环性能的锂离子电池负极、且安全无污染的SiOC陶瓷材料及其制备方法，以及一种装设有主要由该SiOC陶瓷材料制备的负极的锂离子电池。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于制备锂离子电池负极的SiOC陶瓷材料，其特征在于，所述SiOC陶瓷材料包括硅元素、氧元素和碳元素，所述硅元素、氧元素和碳元素的摩尔比为1∶α∶β，所述α为0.4～2.0，所述β为0.4～5.0，且α+β为0.8～7.0。

上述的SiOC陶瓷材料中，所述α优选为0.45～2.0，β为0.45～4.5，且α+β为0.9～6.5，所述SiOC陶瓷材料的比表面积优选小于500 m²/g（更优选为50 m²/g）。

上述的SiOC陶瓷材料中，所述SiOC陶瓷材料中的自由碳含量优选大于20 wt%。自由碳是指有机硅聚合物先驱体裂解后的陶瓷产物中没有和Si或O成键的碳，常常用碳占陶瓷产物的质量比例表示。自由碳的含量等于总碳量减去和硅连接的碳的含量。它一般以自由碳占整个陶瓷产物的质量比例表示。过量的自由碳在体系中能够形成连续的锂离子导电网络，其含量越大越好。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述的用于制备锂离子电池负极的SiOC陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）材料准备：准备有机硅聚合物和有机小分子化合物；所述有机硅聚合物先驱体的分子式如下：

a(R₁R₂SiO)_x(R₃R₄SiO₂)_y(R₅R₆SiO₃)_zb

其中，a和b为封端官能团，R₁、R₂、R₃、R₄、R₅及R₆为官能团，所述R₁、R₂、R₃、R₄、R₅及R₆中至少有一个官能团为氢基或烯基（其中氢基可与氧原子结合形成硅羟基），所述x为0.3～1，y为0～0.7，z为0～0.5，且x＋y＋z＝1；