[发明专利]纳米硅碳复合负极材料和制备方法及其锂离子电池

说明书

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，特别涉及一种纳米硅碳复合负极材料和其制备方法以及一种锂离子电池。

背景技术

随着各种便携式电子设备及电动汽车的广泛发展和快速应用，对具有高比容量、长循环寿命和高安全性的高性能锂电池特别是锂离子电池的需求日益迫切。负极材料作为锂电池的关键材料之一，对锂电池性能的提高起着至关重要的作用。

当前商业化的锂电池特如锂离子电池仍主要采用石墨类碳负极材料。难以满足高性能锂电池的要求，大大制约了锂电池的发展与应用。各种非碳负极材料中，硅(理论容量高达4200mAh/g)以其独特的优势和潜力吸引了越来越多研究者的目光。但是硅基负极材料在嵌脱锂过程中体积变化达到300％以上。严重的体积膨胀所产生的内应力导致电极材料粉化和剥落，其容量迅速下降，最终使电池失去活性。出于大规模产业化应用的考虑，制备具有纳米结构的高性能复合硅碳负极材料具有极大发展潜力。

目前虽有硅碳复合材料的公开，但目前制备的硅碳复合材料在锂离子脱嵌过程中难以保持活性硅材料的结构稳定性，导致循环稳定性、倍率性能和安全性能不理想，限制了其实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种纳米硅碳复合负极材料及其制备方法，解决现有技术中硅碳复合材料循环稳定性、倍率性能和安全性能不理想的技术问题。

本发明另一目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种锂电池，以解决现有锂电池特别是锂离子电池循环稳定性、倍率性能和安全性能不理想的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种纳米硅碳复合负极材料，其为核壳结构，所述核体外壁与所述壳层内壁之间存在间隙；其中，所述核体材料为纳米硅，所述壳层为纳米多孔碳层。

以及，一种纳米硅碳复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：

将纳米硅颗粒置于含氧气氛中于700～1000℃条件下煅烧氧化处理，制得SiO₂包覆的纳米硅颗粒；

将纳米SiO₂颗粒、所述SiO₂包覆的纳米硅颗粒和分散剂以及有机碳源于溶剂中进行分散处理，后进行喷雾干燥处理，得到嵌有纳米SiO₂的有机碳源包覆的表面氧化的纳米硅颗粒，所述表面氧化的纳米硅颗粒为所述SiO₂包覆的纳米硅颗粒；

将嵌有纳米SiO₂的有机碳源包覆的表面氧化的纳米硅颗粒于无氧气氛中进行热裂解反应，使得有机碳源裂解成无定形碳，获得嵌有纳米SiO₂的无定形碳包覆的表面氧化的纳米硅颗粒；

将嵌有纳米SiO₂的无定形碳包覆的表面氧化的纳米硅颗粒置于HF溶液中进行反应，除去所述纳米SiO₂和所述纳米硅颗粒表面氧化层，生成纳米多孔碳层包覆的纳米硅的纳米硅碳复合负极材料；其中，所述多孔碳层内表面与所述纳米硅颗粒表面之间存在间隙。

以及，一种负电极，其包括负极活性材料层，所述负极活性材料层中所含的负极活性材料为本发明纳米硅碳复合负极材料或本发明纳米硅碳复合负极材料的制备方法制备的纳米硅碳复合负极材料。

以及，一种锂电池，其包括负电极，所述负电极为本发明负电极。

上述本发明纳米硅碳复合负极材料中的纳米硅核与外层纳米多孔碳之间的空隙有效缓冲硅材料在充放电过程中的体积变化，保证纳米硅碳复合负极材料结构和电极结构的稳定性；同时，外层的无定形碳为纳米多孔碳，是一种可伸缩的疏松表面结构，进一步为锂离子嵌入硅基体材料提供可膨胀缓冲空间，使硅的循环性能和倍率性能进一步得到提升。

上述本发明纳米硅碳复合负极材料制备方法采用分散剂对氧化后的纳米硅、用于造孔的纳米SiO₂和有机碳源进行有效分散，有效防止了纳米硅和造孔的纳米SiO₂团聚，使得两者能够均匀分散于有机碳源溶液中，有效保证了在采用喷雾干燥处理中有机碳源包覆于表面氧化的纳米硅颗粒，同时使得造孔的纳米SiO₂有效镶嵌于有机碳源包覆层中。正是该前驱体结构的存在，使得在后续刻蚀反应处理后，有效保证了使得裂解形成的无定形碳包覆层中具有纳米多孔结构和在核壳之间存在孔隙，从而赋予本发明纳米硅碳复合负极材料具有高的结构稳定性和优异的循环性能和倍率等电化学性能。