[发明专利]硅碳负极材料、其制备方法及一种锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种硅碳负极材料、其制备方法及一种锂离子电池。

背景技术

锂离子电池由于具有工作电压高、比能量大、自放电小和环境污染少等优点，而广泛应用于民用和军用领域。其中负极材料对锂电池的安全性、循环寿命和能量密度有重要影响，是锂离子电池技术进步的关键因素。

目前，锂离子电池广泛使用的负极材料为石墨材料，其具有便宜易得、重量轻以及热膨胀系数小等优越性，但是其理论储锂容量仅为372mAh/g，随着科技的迅猛发展，已不能满足锂离子电池作为储能电池的需求。为了提高锂离子电池的电容量，满足新型设备对高比容量电池的需求，就需要寻求具有更高理论储锂容量的电极材料，或者对石墨材料进行改性，使其具有更高的理论储锂容量，由于硅具有4200mAh/g的理论容量值，因此硅碳复合负极材料成为了研究热点。

现有技术公开了通过化学沉积法将纳米硅颗粒沉积在石墨中，制备硅碳复合材料，然后再将锂嵌入石墨层间形成锂离子电池负极材料的技术，但是这种技术，锂离子在嵌入过程中体积极易发生严重膨胀，导致材料在多次充放电之后会发生粉化，电极材料会部分脱落，大大降低电池寿命；同时，硅的导电性能也不如碳材料好，使得制备的电极材料的导电性能受到影响。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种硅碳负极材料、其制备方法及一种锂离子电池，制备的硅碳负极材料不仅具有良好的导电性能，还具有较长的循环寿命。

本发明提供了一种硅碳负极材料的制备方法，包括：

A）将有机硅化合物与还原剂混合、反应得到硅-热解材料；

B）将步骤A）得到的硅-热解材料与石墨球磨混合，得到硅-热解碳材料；

C）将步骤B）得到的硅-热解碳材料在酸溶液中进行刻蚀，然后与含金属离子的盐溶液混合，沉积金属及其氧化物，得到硅碳负极材料。

优选的，所述金属离子选自Fe²⁺、Fe³⁺、Sn²⁺和Ti⁴⁺中的任意一种或几种。

优选的，所述还原剂选自镍基催化剂、硼氢化钠和氢化铝锂中的任意一种或几种。

优选的，所述有机硅化合物选自硅烷偶联剂、硅油和硅树脂中的任意一种或几种。

优选的，所述步骤A）中，所述反应的温度为600℃～900℃，所述反应的时间为2h～4h。

优选的，所述酸溶液包括硝酸、盐酸或硫酸中的任意一种和氢氟酸与水。

优选的，所述沉积金属及其氧化物的步骤后还包括：对沉积金属及其氧化物后的材料进行加热，得到硅碳负极材料；所述加热的温度为300℃～1200℃。

本发明还提供了一种硅碳负极材料，为硅碳复合材料表面包覆金属及其氧化物而成。

优选的，所述金属及其氧化物中，所述金属为Fe、Sn和Ti中的任意一种或几种。

本发明还提供了一种锂离子电池，其负极为采用本发明提供的方法制备的硅碳负极材料。

本发明首先将有机硅化合物与还原剂混合、反应得到硅-热解材料；然后将其与石墨球磨混合，得到硅-热解碳材料；再将得到的硅-热解碳材料在酸溶液中进行刻蚀，然后与含金属离子的盐溶液混合，沉积金属及其氧化物，得到硅碳负极材料。本发明采用廉价易得的有机硅为原料，在制备的硅碳复合材料表面包覆了导电性较好的金属层和金属氧化物层，形成导电网络，提高了材料的导电性能；同时，所包覆的金属及氧化物层可以有效降低锂离子充放电过程中的体积膨胀和机械应力，使制备的复合材料具有较长的循环寿命。

采用本发明制备的金属改性硅碳负极材料制备电池，并进行性能检测，结果表明，制备的电池初始能量密度可达到623mAh/g，50次循环后，容量保持率超过92%；并且其体积和重量与石墨材料制备的电池相比，可分别优化约12%和11%。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的硅碳负极材料的扫描电子显微镜图；

图2是本发明实施例4制备的电池的放电曲线图；

图3是本发明实施例4制备的电池的循环曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种硅碳负极材料的制备方法，包括：

A）将有机硅化合物与还原剂混合、反应得到硅-热解材料；

B）将步骤A）得到的硅-热解材料与石墨球磨混合，得到硅-热解碳材料；