[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法、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，具体涉及一种硅碳复合材料及其制备方法、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类负极材料，但石墨的理论嵌锂容量为372mAh/g，实际已达到370mAh/g，因此，石墨类负极材料在容量上几乎已无提升空间。

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）而成为研究热点，然而这种材料在嵌脱锂过程中伴随着严重的体积膨胀与收缩，导致电极上的电活性物质粉化脱落，最终导致容量衰减。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 battery anodes 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 Edition2012,51(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.）。

上述方法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的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、锂离子电池，该硅碳复合材料中的多孔硅通过金属热还原法制备，金属热还原法制备的多孔硅颗粒为微米级，其孔壁和孔径为纳米级，延长了材料的充放电循环寿命。

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）在多孔二氧化硅上包覆多孔碳；

（2）用活泼性大于硅的金属将所述多孔二氧化硅还原成多孔硅，得到多孔碳-多孔硅-金属氧化物的复合物；

（3）用酸将所述多孔碳-多孔硅-金属氧化物的复合物中的所述金属氧化物腐蚀掉，得到硅碳复合材料。

优选的是，所述多孔二氧化硅的比表面积为100～1000m²/g。

优选的是，所述步骤（1）中在所述多孔二氧化硅上包覆多孔碳的具体方法为：

将所述多孔二氧化硅在碳源的溶液中分散，再将溶剂蒸干，然后在非氧化性条件下灼烧；

或者，将所述多孔二氧化硅与碳源混合后，通过水热法在所述多孔二氧化硅上包覆碳前驱体，再在非氧化气氛下灼烧；

或者，使用碳源通过化学气相沉积法，在所述多孔二氧化硅的表面包覆多孔碳。

优选的是，所述灼烧的温度为400～1000℃，所述灼烧的时间为0.5～24小时。

更优选的是，所述灼烧的温度为700～950℃，所述灼烧的时间为1～6小时。

优选的是，所述碳源为蔗糖、乳糖、葡萄糖、淀粉、纤维素、聚乙烯醇、柠檬酸中的任意一种或几种；

和/或，所述多孔二氧化硅与所述碳源的质量比为（1∶5）～（5∶1）。

优选的是，所述步骤（2）中的所述活泼性大于硅的金属采用锂、钠、钾、镁、钙、铝、钛中的一种或几种；