[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法、含该材料的锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于电池制造技术领域，具体涉及一种高比容量硅碳复合材料及其制备方法及使用该硅碳复合材料制备的锂离子电池。

背景技术

目前商品化的锂离子电池负极采用石墨化碳，如中间相碳微球MCMB和CMS材料，这类材料嵌脱锂过程中体积膨胀基本在9%以下，表现出较高的库仑效率和优良的循环稳定性能。但石墨的理论嵌锂容量为372mAh/g，实际使用已达到370mAh/g，因此，石墨电极本身较低的理论储锂容量使其很难再取得突破性进展，研究人员一直在探索一种新型高比容量的电极材料来替代石墨化碳材料。近十几年，各种新型的高容量和高倍率负极材料被开发出来，其可逆储锂容量远远高于石墨类负极，其中硅基材料由于其高的质量比容量（硅的理论比容量为4200mAh/g），嵌脱锂电位低、价格低廉等优点而成为研究热点。

虽然硅材料相对于其它电极材料具有更高的比容量(4200mAh/g)，是一种有潜力的锂离子电池负极材料，但是这种材料作为负极材料时，在嵌脱锂过程中伴随着严重的体积膨胀与收缩，从而导致电极上的电活性物质粉化脱落，最终导致材料的比容量衰减。为了克服硅基负极材料的比容量衰减，常用的方法有两种：方法一是将纳米硅颗粒均匀地分散到其他活性或非活性材料基体中（如Si-C、Si-TiN等），如中国专利CN02112180.X公开了锂离子电池负极用高比容量的硅碳复合材料及制备方法；方法二是在硅基负极材料中预置孔隙，如垂直生长在不锈钢基底上的硅纳米线（Chan,C.K.;Peng,H.L.;Liu,G.;McIlwrath,K.;Zhang,X.F.;Huggins,R.A.;Cui,Y.,High-performance lithium batteryanodes using silicon nanowires.Nature Nanotechnology2008,3(1),31-35.）、空心纳米硅球（Chen,D.;Mei,X.;Ji,G.;Lu,M.;Xie,J.;Lu,J.;Lee,J.Y.,Reversible Lithium-Ion Storage in Silver-Treated Nanoscale Hollow Porous Silicon Particles.Angewandte Chemie International Edition 2012,51(10),2409-2413.）及多孔硅（Kim,H.;Han,B.;Choo,J.;Cho,J.,Three-Dimensional Porous Silicon Particles for Use in High-Performance Lithium Secondary Batteries.Angewandte Chemie International Edition2008,47(52),10151-10154.）。上述两种方法非常有效地克服了硅基负极材料的比容量衰减问题，但由于上述方法采用了非常复杂的合成工艺，费时费力，难以规模化生产。因此，开发一种原料易得、工艺简单、且能有效抑制硅的体积效应的制备工艺，是制备高容量硅基负极材料领域要解决的难题之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种硅碳复合材料及其制备方法以及由该硅碳复合材料制备的锂离子电池。该制备工艺简单，所制备的硅碳复合材料能够有效抑制硅负极的体积膨胀，相应的锂离子电池比容量大、循环性能好。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将硅粉在含氧气氛下灼烧，得到二氧化硅包覆硅的复合材料；

（2）将所述二氧化硅包覆硅的复合材料与碳水化合物混合，通过水热法在所述二氧化硅包覆硅的复合材料外包覆碳前驱体；再在惰性气氛中加热碳化，得到在二氧化硅包覆硅的复合材料外包覆碳的复合材料；

（3）用过量的氢氟酸腐蚀所述二氧化硅，得到硅碳复合材料。

优选的是，所述步骤（1）中的所述硅粉的粒径为0.03μm~0.5μm。

优选的是，所述步骤（1）中的所述二氧化硅包覆硅的复合材料中二氧化硅含量为40%~80%。

优选的是，所述步骤（1）中的灼烧温度为300℃~600℃，灼烧时间为1小时~12小时。

更优选的是，所述步骤（1）中的灼烧温度为400℃~500℃，灼烧时间为2.5小时~6小时。

优选的是，所述步骤（2）中水热法中，在进行水热反应前，先将所述二氧化硅包覆硅的复合材料与所述碳水化合物超声分散5分钟~100分钟。