[发明专利]一种硅碳复合材料、锂离子电池及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，本发明还涉及一种含有所述硅碳复合材料的锂离子电池。

背景技术

目前商业化的锂离子电池负极材料大多采用石墨为原料，然而石墨的理论容量为372mAh/g，无法满足当今市场对高能量密度锂离子电池日益增加的需求，迫切需要开发一种新型高比容量锂离子电池负极材料，而硅的理论容量达4200mAh/g，并且脱锂电位平台较低，成为目前最具有开发潜力的锂离子电池负极材料之一。然而由于硅在充放电过程中产生巨大的体积变化，使材料结构迅速遭到粉化、破坏，导致电极材料与极流体脱落，容量大幅度降低。因而要想使硅用在商业化锂离子电池中，必须解决硅在充放电过程中产生的体积膨胀问题。

申请号为CN201110192320.8的专利，公开了一种球形多孔锂离子电池复合负极材料，其制备方法为：借助于原位碳热还原法和喷雾造粒技术，将含硅氧化物高能球磨至一定程度后与石墨进行喷雾造粒，将得到的球形物料进行在惰性气氛中烧结得到球形多孔埋离子电池复合负极材料，所得球形颗粒材料流动性好、振实密度高，并且采用喷雾造粒方式能将硅与石墨很好的结合在一起，所制备的材料循环和稳定性均较好，但该发明需要在手套箱中进行高能球磨，不适合工业化生产，另外，喷雾干燥后得到的颗粒为表面仅一层无定形碳的多孔材料，在锂离子电池中，材料中的硅很容易暴露在电解液中，而硅与电解液相容性差，难以形成稳定的SEI膜，进而导致充放电效率低、电池容量衰减加剧。

申请号为CN201110161175.7的专利，采用两次喷雾干燥、一次烧结处理制备硅碳复合材料，其制备方法为：先将有机碳源溶液、硅源与石墨一次喷雾干燥得到球形核材料，再将所得球形核材料与另外一种有机碳源形成悬浮液进行二次喷雾干燥，最后将所得粉末烧结处理，所得到的锂离子电池硅碳复合负极材料具有可逆容量大、循环性能和大电流放电能力好、振实密度高等优点。该发明采用二次喷雾干燥技术，虽然制备的球形核材料包覆彻底，提高了复合材料结构的稳定性，但是材料表面包覆的为热固性树脂，其类似于硬碳类材料，表面不能形成较好的SEI膜；而且喷雾过程中要制备2次分散液，制造工艺复杂且对环境有污染。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服了现有硅碳复合材料充放电效率较低、且制备工艺不适合工业化生产的缺陷，提供了一种硅碳复合材料及其制备方法和用途。本发明还提供了一种含有所述硅碳复合材料的锂离子电池。本发明的硅碳复合材料具有较好的循环性能，比较适合于作为锂离子电极材料使用。本发明的制备方法工艺简单、成本较低，适用于工业化生产。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。

本发明提供了一种硅碳复合材料的制备方法，其包括下述步骤：

（1）将硅粉和氧化亚硅粉混合均匀后，再与含有有机碳源分散剂的溶液混合，进行湿法球磨，得浆料；

（2）将所述浆料、石墨和导电剂混合均匀，进行喷雾干燥，得类球状颗粒；所述石墨为人造石墨和/或中间相石墨；

（3）将所述类球状颗粒与沥青混合，在惰性气氛下进行包覆处理，得包覆后物料；

（4）将所述包覆后物料进行炭化处理，即得；

其中，所述硅粉的用量为5-15%，所述氧化亚硅粉的用量为3-10%，所述石墨的用量为45-75%，所述沥青的用量为5-40%；所述百分比为相对于所述硅粉、氧化亚硅粉、石墨和沥青的总重量的重量百分比；

所述有机碳源分散剂的用量为所述硅粉、氧化亚硅粉和石墨总重量的0.1-2%，所述导电剂的用量为所述硅粉、氧化亚硅粉和石墨总重量的0.1-2%。

本发明中，氧化亚硅与硅同属于硅系材料，与硅的相容性和协同性会更好，氧化亚硅自身具有活性能够插入锂，且膨胀体积是硅的四分之一，氧化亚硅和石墨共同作为单质硅的基体，对硅膨胀起到缓冲作用。

步骤（1）中，所述的有机碳源分散剂为本领域常规使用的有机碳源分散剂，较佳地为羧甲基纤维素钠（简称CMC）和/或聚乙烯醇（简称PVA）。所述含有机碳源分散剂的溶液可以有效抑制纳米或微米粒子在球磨过程中的团聚，同时可作为下一步喷雾干燥过程中的粘结剂。所述溶液的溶剂为本领域常规使用的溶剂，较佳地为水。所述溶剂的用量为本领域的常规用量，较佳地使所述浆料中的固含量为10-20wt%，以保证球磨效果最佳。