[发明专利]碳硅复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于一种碳基材电极材料，特别是关于一种碳硅复合电极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池的发展在很大的程度上，取决于高性能正、负极材料的开发与应用。目前实用的中间相碳微球材料(MCMB)制备成本偏高。而天然和人造石墨方面，为了降低初期不可逆电容量和提升循环寿命，需要以沥青类芳烃化合物材料进行表面改质，制备过程中需要1300℃以上的高温下实施碳化，其中，原材料(沥青类芳烃化合物)价格波动大，以及高温碳化下所产生的环境污染与能源大量消耗，皆不是长久永续经营的方向。

另外尚有专利使用其不同的水溶性高分子聚丙烯酸PAA(polyacrylic acid)或羧甲基纤维素钠CMC(Carboxymethyl Cellulose Sodium)，分别作为包覆材料或替代浆料配制中的黏着剂。在比较单一水性高分子与此专利技术部分，如同上面所述，以单一高分子PAA或CMC包覆的均匀性和降低锂离子不可逆的效率较差。另外若是将此单一PAA材料应用于浆料配制中的黏着剂方面，配制出来的浆料其悬浮能力较差，需要再搭配其他的增稠剂，以避免其活性颗粒发生沉降而影响其浆料的均匀性，另外产生出来的极片偏脆偏硬，不利于电极片后续卷绕制程加工。其原因在于若是要针对负极材料做表面修饰，其分子量较低则会有较好的包覆效果(更容易渗入微孔中)。但相反地，若是要应用于浆料中的黏着剂，则分子量较高则会有较好的悬浮性和分散性。

另一方面，现有的碳基材表面改质制程，大多使用有机溶剂来调制欲进行包覆的高分子溶液。虽然可以在制备过程中，得到均匀分散的效果，但是，不仅在制备过程中，会产生许多有机废料，所使用的有机溶剂也溶液产生挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOC)也容易产生环保问题，甚至对操作者造成伤害。

在电极材料的研发过程中，研究人员们后来发现，只使用碳基材或是表面改质的碳基材，虽然可以有良好的导电性，可是，在进一步提升有效的电容量的表现方面，却是仍有待改善。于是，以碳基材混合具半导体特性的电池负极材料所衍生出的复合材料，也成了电极材料的研究对象。最常见的，是以碳基材与硅所构成的碳硅复合电极材料。图1是现有技术中的碳硅复合电极材料。其主要是在碳基材120表面上，沾附复数个硅粒子140，希望藉由碳基材表面的硅粒子来提升电池循环电容量。然而，因为硅粒子本身不容易有效分散于碳基材的表面，所以，碳基材120表面的硅粒子140常会出现有些地方有硅粒子140聚集，但是有些地方却完全没有硅粒子沾附的团聚现象(aggregation)。此一问题除了表现于图1，也可同时由图4A与图4B的照片中可以看出。另一方面，因为硅粒子140与碳基材120之间的连结并不强，所以，往往在后续制程中，会有许多已经分散且沾附于碳基材120表面的硅粒子140从碳基材120的表面脱落，而变成无效分散的硅粒子140’。使得原本想藉此设计来提升电池电容量的效果大打折扣。

有鉴于此，开发可增加有效地将含硅粒子组合在碳基材表面，进而大幅提升锂离子电池的有效循环电容量、提高充放电的功率与循环寿命的碳硅复合电极材料及其制备方法，是一项相当值得产业重视且可有效提升产业竞争力的课题。

发明内容

鉴于上述的发明背景中，为了符合产业上的要求，本发明提供一种碳硅复合电极材料及其制备方法，上述碳硅复合电极材料，不仅制程简易、成本便宜，更具有可提升锂离子电池的有效循环电容量与延长电池的循环寿命等优越性能，更好的是，上述碳硅复合电极材料的制备方法可于水溶液中进行分散，进而可同时兼具环保与有效提升产业竞争力的效果。

本发明的一目的在于提供一种碳硅复合电极材料及其制备方法，藉由分别采用有机高分子对碳基材与含硅粒子进行表面改质，以提升含硅粒子与碳基材之间的接合性和均匀性，进而大幅提升使用此一表面改质后的碳硅复合电极材料，作为电极的电池的有效循环电容量。

本发明的另一目的，在于提供一种碳硅复合电极材料及其制备方法，藉由采用含碳导电层来包覆已附着含硅粒子的含碳粒子，以提升含硅粒子与含碳粒子之间的有效接触，进而大幅提升使用此一碳硅复合电极材料作为电极的电池的有效循环电容量。

本发明的又一目的，在于提供一种碳硅复合电极材料及其制备方法，藉由采用有机高分子对碳基材进行表面改质，并在上述经表面改质的含碳粒子表面均匀分散以有机高分子包覆的含硅粒子，以减少充放电期间碳硅复合电极材料的体积变化，所造成的结构破坏与剥落现象，进而更加延长使用此一表面改质后的碳硅复合电极材料作为电极的电池的循环寿命。