[发明专利]碳‑硅复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳-硅复合材料及其制备方法。

背景技术

对于用于信息技术(IT)设备的电池或用于汽车的电池要求使用能够实现高容量的锂二次电池的阳极材料。因此，硅作为具有高容量的锂二次电池的阳极材料已经吸引了人们的注意。例如，已知纯硅具有4,200mAh/g的高的理论容量。

然而，当用于阳极活性材料的无机颗粒如硅直接用作锂的吸收和释放材料时，由于充电和放电过程期间体积的变化，活性材料之间的电导率恶化，或阳极活性材料从阳极集电器分离，使得无机颗粒与碳基材料相比具有较差的充电容量和容量保持。就是说，阳极活性材料中包含的无机颗粒如硅通过充电过程吸收锂，使得无机颗粒体积膨胀大约300％-400％。此外，当锂通过放电过程释放时，所述无机颗粒收缩，和当重复充电和放电循环时，由于在所述无机颗粒和所述阳极活性材料之间生成的空的空间，可能发生电绝缘，导致充电容量和容量保持降低，和因此，所述无机颗粒在用于二次电池时具有严重的问题。

发明内容

技术问题

为了进一步提高二次电池的充电容量和容量保持，本发明的一个方面是提供碳-硅复合材料作为用于二次电池的阳极活性材料，和所述碳-硅复合材料的制备方法，所述制备方法包括：(a)由包含硅浆液、单体和交联剂的混合物制备硅-聚合物基质浆液；(b)对所述硅-聚合物基质浆液进行热处理以制备硅-聚合物碳化基质；(c)将所述硅-聚合物碳化基质粉碎以制备硅-聚合物碳化颗粒；和(d)将所述硅-聚合物碳化颗粒与第一碳原料混合，和接着进行碳化过程。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供了碳-硅复合材料作为用于二次电池的阳极活性材料，和所述碳-硅复合材料的制备方法，所述制备方法包括：(a)由包含硅浆液、单体和交联剂的混合物制备硅-聚合物基质浆液；(b)对所述硅-聚合物基质浆液进行热处理以制备硅-聚合物碳化基质；(c)将所述硅-聚合物碳化基质粉碎以制备硅-聚合物碳化颗粒；和(d)将所述硅-聚合物碳化颗粒与第一碳原料混合，和接着进行碳化过程。

当假定50％累积质量粒度分布时的粒径为D50时，(a)中所述硅-聚合物基质浆液中的硅(Si)可以满足2nm<D50<180nm。

(a)中的单体是选自以下构成的组中的至少一种：丙烯酸、丙烯酸酯、甲基甲基丙烯酸(methyl methacrylic acid)、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酰胺、乙酸乙烯酯、马来酸、苯乙烯、丙烯腈、苯酚、乙二醇、甲基丙烯酸月桂酯和二氟乙烯。

(a)中的交联剂可以是选自以下构成的组中的至少一种：二甲基丙烯酸乙二醇酯、二丙烯酸乙二醇酯、二甲基丙烯酸二甘醇酯、二丙烯酸二甘醇酯、二丙烯酸三甘醇酯、二丙烯酸四甘醇酯、N,N-亚甲基二丙烯酰胺、N,N-(1,2-二羟基亚乙基)二丙烯酰胺、和二乙烯基苯。

(a)中的硅浆液、单体和交联剂可以具有10:5-10:1-5的重量比。

(b)中的热处理可以在大气压下在300-500℃进行0.5-5小时。

(b)中的硅-聚合物碳化基质可以具有通过单体间的交联形成的聚合物网络结构。

(d)中的第一碳原料可以包含选自以下构成的组中的至少一种：天然石墨、人造石墨、软质碳、硬质碳、沥青、煅烧焦炭、石墨烯(graphene)、碳纳米管和其组合。

所述制备方法可以进一步包括：(e)将所述碳-硅复合材料与第二碳原料混合，并接着进行碳化过程。

(e)中的第二碳原料可以包含选自以下构成的组中的至少一种：天然石墨、人造石墨、软质碳、硬质碳、沥青、煅烧焦炭、石墨烯、碳纳米管和其组合。

根据本发明的另一个方面，提供了碳-硅复合材料，包含：由包含硅浆液、单体和交联剂的混合物形成的硅-聚合物碳化颗粒；和第一碳基质，其中所述硅-聚合物碳化颗粒被捕获和分散在所述第一碳基质中。

上述碳-硅复合材料中硅(Si)与碳(C)的质量比可以为1:99-10:90。

上述硅-聚合物碳化颗粒可以具有比上述第一碳基质更高的孔隙率。

第一碳基质可以包含选自以下构成的组中的至少一种：天然石墨、人造石墨、软质碳、硬质碳、沥青碳化物、煅烧焦炭、石墨烯、碳纳米管和其组合。

所述碳-硅复合材料可以进一步包含：第二碳颗粒。