[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅碳复合材料及其制备方法，特别是涉及一种网状结构包覆纳米级的硅的硅碳复合材料及其制备方法。

背景技术

随着微电子工业、汽车行业的快速发展，以及各种便携式通讯设备、个人电脑、小型电子设备的普及，人类对锂离子电池的要求也朝着高能量密度、高功率密度、高安全性、长寿命、快速充放电、轻薄的方向发展。目前，商业化的锂离子电池以石墨为负极材料。石墨的理论比容量只有372mAh/g，这成为提高锂离子电池性能的巨大阻碍，同时石墨的嵌锂电位较高，在电池充放电过程中容易在负极表面聚集一层锂，会引发电池短路，有爆炸的危险，极度影响电池的安全性。因此，近年来开发高容量、安全性能高的新型负极材料成为锂离子电池领域的研究重点。

目前，具有高比容量的金属合金及金属氧化物引起研究者的关注。其中硅因其具有极高的储锂容量（4200mAh/g）和较低的储锂电位（0.5V）收到研究者的广泛关注。然而，硅作为锂离子电池负极材料也存在较大的问题：电池充放电过程中，负极材料产生严重的体积膨胀效应（硅高达300％），会引起电极粉化，从而降低电池使用寿命；电池多次充放电会引起负极材料发生团聚，影响电池的循环稳定性。目前解决这些问题的途径主要有：①制备纳米尺寸的负极材料，缓解充放电过程中的体积膨胀；②将非活性物质与活性储锂材料复合，降低负极材料的体积膨胀，同时防止活性物质的团聚；③制备特殊结构的负极材料，利用结构优势来缓解负极材料的体积膨胀。

在现有的研究中，有人已经在一定程度上解决了以上问题。专利CN1402366A中公开了一种具有核壳结构的Si-C-X复合负极材料，可以在一定程度上缓解活性物质的团聚和充放电过程中的体积膨胀。研究者首先将含碳前躯体溶于有机溶剂中，再慢慢加入硅合金粉末，形成均匀的溶液。在80℃下挥发有机溶液，得到硅合金-碳前躯体混合物。再将此混合物在惰性气氛中煅烧得到硅合金-碳复合材料。但是这种方法制备复合材料的碳包覆层厚度不均匀，碳层与硅合金之间的结合力较弱，在快速充放电过程中碳层容易与硅合金分离、剥落，严重影响电池的循环稳定性能。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出的硅碳复合材料具有三维网状结构，它能够有效减小充放电过程中硅的体积效应，缓解甚至消除负极材料的粉化、脱落现象，从而提高电池的比容量和循环稳定性。

本发明的一种硅碳复合材料，是一种网状结构包覆纳米级的硅的硅碳复合材料，所述的网状结构是指由碳纤维相互缠结形成的结构疏松、内部具有均匀的三维孔洞的结构层，所述的纳米级的硅均匀分散在网状结构的空隙中。在电池充电过程中，锂离子通过网状结构内部的三维孔洞嵌入纳米级的硅中，纳米级的硅体积发生很大的膨胀（300％）。由于纳米级的硅处于网状结构的空隙中，周围有一定的空间，可以在一定范围内承受纳米级硅的体积膨胀，同时网状结构在受到内部纳米级的硅因体积膨胀而产生的压力时，它的疏松结构会变得相对密实，且内部三维孔洞会发生一定程度收缩，这种结构变化可以有效缓冲纳米级的硅的体积膨胀，使负极材料整体体积几乎不发生太大的变化，保证负极材料结构和性能的稳定。在电池放电过程中，纳米级的硅将锂离子释放出来，自身体积恢复原状，这时网状结构又从相对密实变得疏松，内部三维孔洞恢复原状。所述的硅碳复合材料的这种结构特征可以充分保证锂离子电池负极材料的循环稳定性能。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种硅碳复合材料，所述的纳米级的硅的平均直径为50～500nm。如上所述的一种硅碳复合材料，其特征在于，所述的网状结构的厚度为0.05～2um，所述碳纤维的平均直径为50～300nm。

如上所述的一种硅碳复合材料，所述的碳纤维由细菌纤维素纤维热解碳化而得，具有导电性和一定的弹性。纳米级的硅均匀分布在由碳纤维组成的网状层。碳纤维具有良好的导电性，保证了纳米级的硅之间的相互联通和材料整体的导电性。同时碳纤维具有一定的弹性，在受到内部纳米级的硅的压力时，能够发生一定程度的弹性形变，缓解纳米级的硅体积膨胀，当压力消除时，又可以恢复原状。

本发明还提供了一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下具体步骤：

（1）将细菌纤维素用打浆机打浆，制备成均匀的细菌纤维素浆料；