[发明专利]Si/C复合材料、其制造方法以及电极

说明书

技术领域

本发明涉及硅（Si）和碳素的复合材料、其制造方法以及采用了该复合材料的电极。

背景技术

以往，锂（Li）离子二次电池通常是将钴酸锂（LiCoO₂）用于正极、将石墨用于负极。然而，相对于在使用石墨作为负极时理论容量为372mAh/g(840mAh/cm³)的情况，使用硅时的理论容量为4200mAh/g（9790mAh/cm³），硅具有与石墨相比10倍以上的理论容量。因此，硅材料作为新一代的负极材料受到关注。

然而，存在以下问题：第一，硅导电性差；第二，由于与锂的反应速度慢而使充放电速率特性（rate characteristics）差；第三，充电时体积最大膨胀到4倍，因此电极本身受到损坏而使循环性能（cycle characteristics）差。特别是循环性能的恶化成为负极材料的实用化的阻碍。为了解决上述问题点和旨在利用硅所具有的大的充放电容量，进行了大量的研究。

其中，近年来也有这样的报告（例如，非专利文献1、非专利文献2）：通过在硅周围确保对体积膨胀起缓冲作用的空间来获得高的充放电容量。

在这种情况下，本发明的发明者们开展了对在硅周围具有纳米空间的Si/C复合体的开发研究（非专利文献3及4）。该Si/C复合体大概采用以下的要领来制作。通过对硅纳米粒子在空气流下进行热处理，由此增加表面的二氧化硅（SiO₂）层，在成型为颗粒（pellet）后，将聚氯乙烯（PVC，Polyvinyl chloride polymer）附载于颗粒，通过以300℃左右进行热处理，使PVC液化并含浸于颗粒，在900℃左右进行热处理而使PVC碳化。将颗粒外部的碳素去除，通过氢氟酸处理将硅纳米粒子表面的氧化层去除，得到Si/C复合体。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：Cui,L.F.;Ruffo,R.;Chan,C.K.;Peng,H.L.;Cui,Y.，Nano Letters2009，9，491.

非专利文献2：Magasinski,A.;Dixon,P.;Hertzberg,B.;Kvit,A.;Ayala,J.;Yushin,G.Nature Materials，:2010，9,353.

非专利文献3：岩村振一郎、西原洋知、京谷隆，“具有能够使硅体积变化的空间的硅/碳素纳米材料的合成”(日文原文:「Ｓｉが体積変化できる空間を持つＳｉ／炭素ナノ複合材料の合成」)，第36届碳素材料学会年会预稿集，碳素材料学会，2009年11月30日，第196页至197页

非专利文献4：岩村振一郎、西原洋知、京谷隆，“在硅周围具有纳米空间的硅/碳复合体的锂充放电特性”(日语原文:「Ｓｉ周囲にナノ空間を持つＳｉ／Ｃ複合体のＬｉ充放電特性」)，第9届东北大学多元物质科学研究所研究发表会预稿集，东北大学多元物质科学研究所，2009年12月10日，第40页

发明内容

〈发明所要解决的课题〉

然而，在将这样得到的Si/C复合体作为锂离子电池的负极材料使用的情况下，充放电容量变小，且循环次数一增加充放电容量即减少。推测该现象是由于:经过反复充放电，硅粒子自电极剥落，无法得到硅所具有的容量。

因此，本发明的目的在于，提供一种将硅与碳素以到目前为止不存在的结构进行复合得到的复合材料、该复合材料的制造方法、以及充放电容量增加且循环性能高的锂离子的负极材料。

〈用于解决课题的手段〉

为了达到上述目的，本发明的复合材料包括纳米尺寸的硅粒子、划分出内含硅粒子的空间与未内含硅粒子的空间的碳素层的壁。

在上述结构中，所述硅粒子的表面也可被氧化。

优选的是，在上述结构中，所述碳素层具有0.34nm至30nm的平均厚度。

优选的是，在上述结构中，在所述硅粒子的表面形成有包含层状的石墨烯结构的所述碳素层。

在将所述复合材料用作负极材料时，充放电容量最大为2000mAh/g以上或2500mAh/g以上。

优选的是，在上述的结构中，硅粒子具有1×10nm至1.3×10²nm的平均粒径。

本发明的锂离子电池的负极材料包含本发明的复合材料。