[发明专利]一种用于锂离子电池的Si/SiC复合材料、其制备方法、及由该材料制备的负极和电池

说明书

本发明公开了一种用于锂离子电池的Si/SiC复合材料、其制备方法、及由该材料制备的负极和电池。该复合材料由Si纳米材料和SiC纳米材料复合而成，其中SiC纳米材料的存在形式中至少含有SiC纳米线。其制备方法是：以硅氧化物/碳复合多孔块体材料与导电的阴极集流体复合作为阴极，设置阳极，置于包含金属化合物熔盐的电解质中，在阴极和阳极之间施加电压，惰性气氛下，控制电解时间，在阴极制得Si/SiC复合材料。本发明的Si/SiC复合材料中的SiC纳米线与纳米Si材料相依而生，充分接触；其中的SiC纳米线由于具有较高的机械强度，可以缓解Si负极在嵌脱锂过程中的体积膨胀产生的内应力对电极结构的破坏，提高Si负极的力学性能，因而改善Si电极的循环性能。

技术领域

本发明涉及一种用于锂离子电池的Si/SiC复合材料、其制备方法、及由该材料制备的负极和电池，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

发展高能量密度动力电池，提高纯电动汽车续驶里程，扩大电动汽车应用范围，是突破电动汽车产业发展瓶颈的关键所在。采用高比容量的电极材料是提升电池能量密度最简单有效的方法。目前商业使用的负极材料主要是碳类材料，但碳类负极材料的理论比容量已经非常接近其理论容量(372mAh/g)，通过改进电池制备工艺来提高电池性能已难以取得突破性进展，因此研究开发新一代高比容量的负极材料就尤为迫切。Si、Sn、Al和Sb等金属是人们研究比较多的高容量负极材料，其中硅具有比目前广泛使用的碳材料高10倍多的理论电化学容量(理论容量4200mAh/g)，被认为是很有前景的高比能量锂离子电池负极材料。它存在的主要问题是在脱、嵌锂过程中体积发生明显变化(体积变化率：280％-360％)，造成材料结构的破坏和机械粉化，导致电极材料间及电极材料与集流体的分离，进而失去电接触，致使容量迅速衰减。因此，如何改善硅负极的循环稳定性，使之趋于实用化成为该类材料的研究重点。

为了提高硅负极材料的循环性能，研究人员采取了多种措施。将硅纳米化是提高硅负极稳定性的途径之一。纳米材料具有比表面积大、离子扩散路径短、蠕动性强以及塑性高等特点，能够一定程度上缓解硅负极材料的体积效应，并且提高其电化学性能，但是纳米材料在循环过程中容易团聚，不足以使电池的性能改善到实用化。另一个有效的方法就是制备成含硅的复合材料，利用复合材料各组分间的协同效应，达到优势互补的目的。譬如，Kim等采用高能球磨的方法将Si纳米颗粒分散在SiC纳米颗粒中，制备Si-SiC复合材料。SiC纳米颗粒可以缓解脱嵌锂过程中的体积膨胀产生的内应力对电极结构的破坏，提高硅电极的力学性能，因而改善硅电极的循环性能(J.Power Sources，2004，130：275-280)。清华大学的任建国等采用刻蚀的方法制备出Si纳米线，然后采用CVD的方法在Si纳米线表面包覆一层SiC，制备出SiC-Si纳米线，最后，在SiC-Si表面生长一层导电性好的石墨烯，得到具有三明治结构的Gr-SiC-Si纳米线。材料的首次放电容量达2243mAh/g，循环500周后，比容量仍保持在1650mAh/g。由于SiC具有较高的机械强度，包覆硅纳米线的表面，保证硅纳米线在循环过程中结构完整，因而硅负极的循环稳定性得到明显的改善(Nanoscale，2013，5：8689-8694)。在2013年，Wen等制备出具有中空结构的Si-SiC纳米微球，在纳米微球表面包覆了一层碳形成Si-SiC/C结构。在这种结构中，具有较高机械强度的SiC确保了在循环过程中Si基纳米微球结构完整性，有利于稳定SEI膜的形成，提高循环稳定性(Nanoscale，2014，6：342-351)。

目前硅和碳化硅复合材料的制备方法有很多，包括高能球磨法、化学气相沉积法及刻蚀和化学气相沉积(CVD)相结合的方法。但这些方法或者需要专门的设备，或工艺复杂，导致制造成本提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于锂离子电池的Si/SiC复合材料，该复合材料中Si和SiC相依而生、接触充分。

本发明的另一目的在于提供一种无污染、原料易得、设备便宜、易于连续生产所述Si/SiC复合材料的电化学方法。