[发明专利]一种氧化硅/碳复合材料及其制备方法与用途

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体地，本发明涉及一种氧化硅/碳复合材料及其制备方法与用途。

背景技术

商品化锂离子电池主要采用石墨类碳材料作为负极活性物质。然而，碳类负极材料因其比容量较低（372mAh/g）使其不能满足电子设备小型化和车用锂离子电池大功率、高容量要求，因而需要研发可替代碳材料的高能量密度、高安全性能、长循环寿命的新型锂离子电池负极材料。

传统金属硅作为锂离子电池负极材料，其理论比容量可达4200mAh/g。但其在充放电过程中存在的体积膨胀（约300%）会引起活性颗粒粉化，进而失去电接触而导致容量快速衰减。氧化硅材料，虽然其理论比容量比纯硅材料小，但其在电池充放电过程中的体积效应相对较小（约200%），因此，氧化硅材料更容易突破限制，早日实现商品化。

CN 102694155A公开了一种硅碳复合材料及其制备方法及使用该材料制备的锂离子电池。该硅碳复合材料的制备方法包括以下步骤：（1）将一氧化硅制得的二氧化硅包覆纳米硅的复合材料、多孔性碳基体材料、过量的氢氟酸溶液混合，得到多孔性碳基体材料孔隙间复合有纳米硅粒子的复合材料；（2）用高分子聚合物包覆多孔性碳基体材料孔隙间复合有纳米硅粒子的复合材料，在惰性气氛下，加热得到多孔碳球包覆的硅碳复合材料。该硅碳复合材料虽在一定程度上缓解活性颗粒在充放电过程中的粉化脱落现象，体积膨胀效应有所改善，但是该材料循环性能仍欠佳，且首次充放电效率只有70%左右，无法满足商品化要求。

CN 102306759A公开的一种锂离子电池氧化亚硅复合负极材料及其制备方法，该材料制备包括以下步骤：（1）将氧化亚硅在惰性气氛下高温烧结，生成纳米硅颗粒和无定形二氧化硅；（2）准确称取一定量的经烧结后的氧化亚硅和导电剂，加入行星式球磨机中，混合球磨，即得到氧化亚硅复合负极材料。该氧化亚硅复合负极材料具有高容量（800mAh/g），但循环性能很差，循环100周容量保持率仅为原来的50％左右，且首次充放电效率低，离商品化距离还很远。

因此，开发一种循环性能与倍率充放电性能好、首次充放电效率高、体积膨胀效应低的锂离子电池负极材料及其制备方法是所属领域的技术难题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种氧化硅/碳复合材料。以改善氧化硅材料作为锂离子电池负极材料存在的循环性能与倍率充放电性能差、首次库伦效率低、体积膨胀效应大等问题。

所述氧化硅/碳作为锂离子电池负极材料具有首次充放电效率高、循环性能和倍率充放电性能优异以及体积膨胀效应较低的特点。

所述氧化硅/碳复合材料含有氧化硅/石墨烯颗粒、有机物裂解碳（有机碳）、石墨粉，其中，氧化硅颗粒粘附于石墨烯片表面，有机物裂解碳包覆所述氧化硅/石墨烯颗粒，然后再与石墨复合。

所述氧化硅/石墨烯颗粒为石墨烯和氧化硅颗粒通过造粒得到的类球形复合颗粒。其中，氧化硅颗粒粘附于石墨烯片表面，并很好地被包裹在石墨烯构成的具有内部空腔结构的三维导电网络中。

优选地，所述氧化硅颗粒与石墨烯的质量比为1:9～9:1，例如：1:8、1:7、1:6、1:5、1:4、1:3、1:2、1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1等，进一步优选为4:6～9:1，特别优选为7:3～8:2；石墨烯量过少，材料整体电导率低，倍率充放电性能和循环性能得不到提升；石墨烯量过多，材料整体比表面积大，材料压实低，且首次充放电效率会降低。

优选地，所述氧化硅/石墨烯颗粒与有机物裂解碳的质量比为98:2～90:10，例如：98:3、98:4、98:5、98:6、98:7、98:8、98:9、98:10、90:9等，进一步优选为96:4～90:10，特别优选为95:5～90:10。

优选地，所述氧化硅/碳复合材料的粒径为1～60μm，进一步优选为3～55μm，特别优选为5～45μm。

所述有机物裂解碳即通过有机物裂解得到的碳。

本发明的目的之一还在于提供一种所述氧化硅/碳复合材料的制备方法，该方法简单、环境友好。

所述氧化硅/碳复合材料是以氧化硅颗粒、石墨烯、有机碳源和石墨粉为原料，依次经过混合、包覆、混合等步骤而获得。

优选地，所述氧化硅/碳复合材料的制备方法包括以下步骤：

（1）将氧化硅颗粒和石墨烯混合得到氧化硅/石墨烯颗粒；

（2）将步骤（1）得到的氧化硅/石墨烯颗粒包覆有机碳，得到有机物裂解碳包覆的氧化硅/石墨烯材料；