[发明专利]一种硅/碳氧化硅/碳负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种硅/碳氧化硅/碳负极材料及其制备方法和应用。在硅/碳氧化硅/碳负极材料中，超小硅氧碳纳米粒子均匀分散在碳基质中作为缓冲基质，而硅纳米粒子则被均匀镶嵌在碳/硅氧碳缓冲基质中。该方法是采用热固性树脂单体作为溶剂体系取代传统溶剂，将硅纳米粉体在该溶剂中分散均匀，通过固化乙烯基树脂和含有双键的硅烷偶联剂，得到硅/聚硅氧烷/碳前驱体复合材料的块状固体，粉碎后高温煅烧，球磨后得到。该方法不使用传统有机溶剂，避免了溶剂后处理，硅烷偶联剂直接和树脂聚合，通过煅烧聚合物裂解原位成碳、硅氧碳。采用陶瓷(硅氧碳)和碳作为缓冲基质，吸收硅体积膨胀带来的应力，消除、减小硅体积膨胀带来的不良后果。

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，涉及硅/碳氧化硅/碳负极材料及其制备方法，尤其是一种采用非传统溶剂，原位成碳，制备硅/碳氧化硅/碳负极材料粉体及其制备方法，以及用该硅/碳氧化硅/碳负极材料在锂离子电池负极材料方面的应用。

背景技术

硅具有质量比容量高、充放电平台低、资源丰富、安全性好等优点，成为了最有潜力的锂离子电池负极材料之一。但硅本身存在体积膨胀问题和导电性差的问题决定了其寿命短、循环性差的特点。研究表明，将其纳米化，与碳材料复合，是提高硅材料寿命和降低成本的有效手段。

目前见于报道的制备硅基负极材料的方法主要一是通过将硅的尺寸纳米化，降低其绝对体积变化程度，同时释放应力，如硅纳米颗粒、硅纳米管等。二是将硅与碳、金属、非金属等缓冲基质复合，缓解体积膨胀，增强导电性。三是通过构筑多层次结构设计，容纳硅的体积膨胀，抑制SEI膜形成。其中陶瓷缓冲基质经常被应用于硅基负极材料，吸收硅体积膨胀产生应力。但是目前技术所采用的陶瓷基质往往不具备锂电活性，从而牺牲负极材料容量。此外，陶瓷基质与碳基质需要共同应用，一方面共同吸收体积膨胀产生的应力，另外一方面碳基质能够提高负极材料导电性，从而弥补陶瓷基质不具备导电性的不足。因而，陶瓷基质与碳基质的界面以及陶瓷基质在碳基质中的均匀分散对于提升硅基负极材料性能至关重要。但是目前制备方法陶瓷基质与碳基质之间存在相分离、结合性差等弱点，不能有效地起到共同吸收应力，稳定电极结构，以及弥补陶瓷导电性等作用。

发明内容

本发明的一个目的就是针对现有技术的不足，提供一种硅/碳氧化硅/碳负极材料。

在本发明硅/碳氧化硅/碳负极材料中，直径1～5nm的硅氧碳纳米粒子均匀分散在碳基质中作为缓冲基质，而硅纳米粒子则被均匀镶嵌在碳/硅氧碳缓冲基质中。通过硅氧碳/碳基质共同作为缓冲基质，改善硅负极材料性能。其中硅氧碳/硅质量比范围为1/10～10/1；硅/硅氧碳/碳材料中碳基质的质量分数范围为10～90﹪。

本发明的另一个目的是提供上述硅/碳氧化硅/碳负极材料的制备方法。

本发明主要内容是采用热固性树脂单体作为溶剂体系取代传统溶剂，将硅纳米粉体在该溶剂中分散均匀，通过固化乙烯基树脂和含有双键的硅烷偶联剂，得到硅/聚硅氧烷/碳前驱体复合材料的块状固体，粉碎后高温煅烧，球磨后得到硅/碳氧化硅/碳复合材料纳米粉体。

本发明方法的具体步骤是：

步骤(1).将热固性树脂单体和硅烷偶联剂在室温下搅拌混合均匀，得到混合液；混合液中硅烷偶联剂的质量含量为0.1～50﹪；

所述的热固性树脂为双酚A环氧乙烯基酯树脂、双酚A-二缩水甘油醚甲基丙烯酸酯、三缩四乙二醇二甲基丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、1,6二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、二脲烷二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、甲基丙烯酸脲烷酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚氧乙烯醚双酚A二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯等乙烯基树脂的一种或两种；

所述的硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三(b-甲氧基乙氧基)硅烷、γ-(甲基丙烯酰基)丙基三甲基硅烷的一种或多种；