[发明专利]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

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池材料及其制备方法、含该材料的锂离子电池。

背景技术

目前，生产使用的锂离子电池主要采用石墨化碳为负极材料，但材料的储锂容量不高。就石墨基负极材料来说，其较大的层状结构空隙既为锂的储存提供了场所，也决定了该材料的低理论比容量（约372mAh/g）的特性。因此，开发新型的高容量和高倍率负极材料具有很高的研究和利用价值。较长时间以来，锂合金作为可替代的负极材料而倍受关注，硅基材料和锡基材料就由于其高的质量比容量（硅基材料和锡基材料的理论比容量分别为4200mAh/g和990mAh/g）而成为研究热点，特别是硅基材料。然而充放电过程Li-Si电极严重的体积效应和粉化脱落降低了电池的效率和循环性能。开发含硅的复合材料已成为人们研究的重点，研究思路一般将硅与其它非活性的金属（如Fe、Al、Cu等）形成合金（文钟晟、杨军、刘宇等，锂离子电池负极用硅铝合金/碳复合材料及其制备方法，中国专利申请号：CN03116070.0），或将材料均匀分散到其它活性或非活性材料中形成复合材料（如Si-C、Si-TiN等）（杨军、文钟晟、刘宇等，锂离子电池负极用高比容量的硅碳复合材料及制备方法，中国专利申请号：CN02112180.X），可以一定程度上改善其循环稳定性。

上述方法虽然在一定程度上缓解了硅基负极材料的容量衰减，但其机理都是简单的物理复合或高温碳包覆，都不能从根本上抑制充放电过程中的体积效应，在经过多次循环后，容量又将开始迅速衰减。因此，有必要开发一种工艺简单、且能有效抑制硅的体积效应的高容量硅基负极材料的制备工艺。

发明内容

本发明的目的是解决现有硅碳复合材料和由其制备的锂离子电池的循环性能、导电性能低下的问题，提供一种循环性能、导电性能优良的硅碳复合材料的制备方法。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种硅碳复合材料的制备方法，所述制备方法包括：

1）混料步骤：

将硅粉和导电碳材料加入到硅酸钠溶液进行混料，得到混合物；

2）二氧化硅包覆步骤：

向步骤1）得到的混合物加入无机酸反应得到二氧化硅包覆的硅-导电碳网络复合材料；

3）碳包覆步骤：

将步骤2）得到的二氧化硅包覆的硅-导电碳网络复合材料用高分子聚合物在加热下进行碳包覆；

4）脱二氧化硅层步骤：

将步骤3）得到的经过二氧化硅和碳包覆的硅-导电碳网络复合材料用氢氟酸进行脱二氧化硅层，获得硅碳复合材料。

本发明通过利用预留的孔隙来容纳硅颗粒嵌锂过程中的体积膨胀，且在孔隙中预先分散导电网络碳材料，提高了硅碳复合材料的导电性，达到减缓甚至消除电化学活性物质因体积膨胀而粉化脱落的现象，有效延长硅碳复合材料的循环寿命；且导电网络更有利于锂离子的快速传导，提高了硅碳复合材料的导电性；同时合成工艺简单，易于实施。

优选的是，在所述的混料步骤中，所述的混料为超声分散1h-4h，硅粉与硅酸钠的质量比为1︰（5-10），导电碳材料与硅粉的质量比为1︰（10-20）。

优选的是，在所述的混料步骤中，所述的导电碳材料为石墨烯、碳纳米管、气相生长碳纤维、乙炔黑、膨胀石墨、石墨中的任意一种或几种。

优选的是，在二氧化硅包覆步骤中，所述的反应时间为2h-4h，所述的无机酸为盐酸或硫酸。

优选的是，在碳包覆步骤中，所述的高分子聚合物为聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、酚醛树脂、沥青、葡萄糖、蔗糖中的任意一种或几种。

优选的是，在碳包覆步骤中，所述的高分子聚合物与二氧化硅包覆的硅-导电碳网络复合材料的质量比为1︰（1-3），所述的碳包覆的加热温度为700℃-900℃。

优选的是，在脱二氧化硅层步骤中，所述的氢氟酸的质量浓度为5%-40%，反应时间为1h-10h，氢氟酸与硅酸钠的物质的量比为（4-10）︰1。

优选的是，在脱二氧化硅层步骤中，所述的氢氟酸的质量浓度为10%-20%，反应时间为2h-8h。

本发明所要解决的技术问题还包括，针对现有的硅碳复合材料循环性能、导电性能低下问题，提供一种循环性能、导电性能优良的硅碳复合材料。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是一种硅碳复合材料，该硅碳复合材料是通过上述方法制备的。

由于本发明的硅碳复合材料是通过上述方法制备的，其循环性能、导电性能较好。