[发明专利]一种锂离子电池用硅碳复合材料及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种锂离子电池用硅碳复合材料，其振实密度为0.7-1.1g/cm³，由多孔硅碳复合材料与填充在其孔隙中的碳构成，多孔碳硅复合材料中硅含量为10％-40％，碳含量为60％-90％。

2.一种锂离子电池用硅碳复合材料的制备方法，具体步骤如下：

1)将硅粉球磨粉碎后砂磨处理，将处理后的硅粉分散在高分子聚合物或含有铝源的溶液或含有铝源的胶体中并超声处理，使硅粉悬浮在溶液中，防止发生团聚；

2)将步骤1)所得的溶液减压旋转蒸发除去溶剂后，在非氧化性气氛下进行烧结，在硅表面包覆无定形碳或者三氧化二铝，无定形碳或者三氧化二铝的厚度为5-30nm，含量为0.5％-10％；

3)将步骤2)所得包覆好的硅粉与无机碳源、羟基化合物分散剂、重均分子量为50000-400000的聚合物添加剂进行机械搅拌，得到混合均匀，粘度适宜的稀溶液；

4)将步骤3)所得的稀溶液进行喷雾干燥处理，得到硅碳复合材料，并在非氧化性气氛下进行烧结，得到多孔的硅碳复合材料，多孔碳硅复合材料中硅含量为20％-60％，碳含量为40％-80％，振实密度为0.6-0.9g/cm³；

5)在步骤4)所得的硅碳复合材料的孔隙中，填充无机或有机碳源，配置粘度较高的浓溶液，进行喷雾干燥处理，得到致密的球状复合材料，并在非氧化性气氛下进行烧结，最终得到锂离子电池用硅碳复合材料，复合材料中硅含量为10％-40％，碳含量为60％-90％，振实密度为0.7-1.1g/cm³。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤1)中所述硅粉的粒径为50nm-20μm，研磨处理后的硅粉的粒径为30nm-500nm；所述高分子聚合物包含但不仅限于下述物质中的至少一种：酚醛树脂、沥青、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙炔、葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、海藻酸钠、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚乙二醇、明胶、淀粉、壳聚糖、海藻酸；所述铝源包含但不仅限于下述物质的至少一种:异丙醇铝、三乙醇铝、仲丁醇铝、醋酸铝、正丁醇铝。

4.根据权利要求2-3之一所述的方法，其特征在于：其中步骤2)所述的旋转蒸发的条件为：温度为30℃-70℃，旋转速度为30-150转/分钟；无定形碳或者三氧化二铝的厚度优选为10-20nm，含量优选为1％-5％。

5.根据权利要求2-4之一所述的方法，其特征在于：步骤2)、4)和5)中所述非氧化性气氛由下述至少一种气体提供：氮气、氩气、氦气，所述烧结温度为500-1100℃，升温速度为1-15℃/min，烧结时间为1-15h。

6.根据权利要求2-5之一所述的方法，其特征在于：步骤3)中所述无机或有机碳源选自下述至少一种：软碳、硬碳、晶质石墨、隐晶质石墨、人造石墨、导电石墨、中间相炭微球、石墨烯、碳纳米管；所述添加剂为下述物质中的至少一种：酚醛树脂、沥青、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯(PEO)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯腈(PAN)、聚乙炔、聚苯胺、聚噻吩；所述分散剂为下述物质的至少一种：葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、海藻酸钠、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、聚乙二醇、明胶、淀粉、壳聚糖、海藻酸；所述粘度在温度为293K下测试，粘度可为1-10⁴mPa·s，优选为100-500mPa·s。

7.根据权利要求2-6之一所述的方法，其特征在于：步骤4)和5)中所述喷雾干燥进气口温度可为120-220℃，出料口温度为60℃-120℃，所述喷雾干燥设备供料泵频率可为10-30Hz。

8.根据权利要求2-7之一所述的方法，其特征在于：步骤5)中所述的碳源为选自下述的至少一种:人造石墨、导电石墨、中间相炭微球、石墨烯、碳纳米、煤焦油、石油沥青、酚醛树脂、海藻酸钠、羧甲基纤维素、羟丙基纤维素、明胶、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，优选同时含有明胶和石墨化碳，更优选同时含有明胶和导电石墨，或者同时含有明胶和石墨烯；所述粘度在温度为293K下测试，粘度可为100-10⁶mPa·s。

9.权利要求2-8中任一所述方法制备得到的硅碳复合材料。

10.权利要求9所述的硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料的应用。