[发明专利]一种氧化硅/碳/金属元素复合材料、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种氧化硅/碳/金属元素复合材料，特别涉及氧化硅/碳/金属元素复合材料的大规模制备，以及作为高能量密度锂离子电池负极材料的应用。

背景技术：

随着不可再生能源的大量消耗和环境污染的日益加剧，大力发展可再生情结能源至关重要，锂离子电池具有比能量高、使用寿命长、绿色无污染等突出优点已经被广泛的应用于便携式电子设备和电动汽车等领域。石墨是目前商业化锂离子电池最广泛使用的负极材料，但是石墨材料的理论容量仅为372mAh/g，而且目前商业化应用的石墨负极材料已经接近其理论容量，因此为了大幅度提高锂离子电池的能量密度，必须研发一种高比容量的负极材料来代替石墨负极。硅基负极材料具有高的理论容量(4200mAh/g)和低的脱嵌锂电位，引起了电池材料界的广泛关注，但硅基负极材料在脱嵌锂过程中会发生巨大的体积变化，导致电极材料在循环过程中的脱落和粉化，造成电池性能急剧衰退。目前通常采用将纳米硅粉均匀分散在碳基材中来解决硅的体积膨胀问题，但是纳米硅粉的团聚、氧化和成本高等问题严重限制了硅基负极材料的应用。

SiO_x材料具有高的理论容量(～2000mAh/g)和良好的体积效应，而且在充放电循环过程中会形成氧化锂和硅酸锂缓冲层，缓冲层在硅表面构建了稳定的界面，同时有效的分散硅，因此SiO_x负极材料具有优异的循环稳定性，被认为最有前景的高能量密度锂离子电池负极材料之一。但是SiO_x材料的电导率极差，容量发挥一般不足1500mAh/g，而且首次库伦效率较低，严重限制了其应用。目前通常将SiO_x材料和碳基材复合来改善其性能，但是在不影响其容量发挥的前提下，开发一种低成本、可大规模制备、高比容量的SiO_x复合材料是所属领域的技术难题。

发明内容

本发明目的是提供一种氧化硅/碳/金属元素(SiO_x/C/M)复合材料及其制备方法，所述复合材料应用于锂离子电池中，具有高比容量，优异循环稳定性。克服了SiO_x材料的电导率极差，容量发挥差和首次库伦效率较低的缺陷，而且提供了一种原料廉价易得、生产工艺简单、可商业化大规模生产的工艺路线。

本发明提供的SiO_x/C/M复合材料，其中SiO_x含量为10％-60％，0.5≤x≤1.5，优选为0.8-1.2，碳包含无定型碳和石墨化碳，无定型碳含量为1％-20％，优选为2％-10％，石墨化碳含量为30％-80％，优选为40％-70％，M为IIA、IIIA、IIB、IVB、VB、VIB、VIIB族元素及其组合，优选铝、钛、锶、钡、锰、钒、钪、锆、镁、锌或其组合，优选IIIA与IIA、IVB或VB族元素的组合(组合重量比优选1-5:1-5)，如Al与Mg、Ti或V的组合，更优选IIIA与IVB族元素的组合，如Al与Ti的组合，最优选是IIIA与IVB、VIB族元素三者的组合(组合重量比优选1-5:1-5:1-5)，如Al与Ti、V三者的组合，含量为0.1％-5％，优选为0.2％-2％，SiO_x/C/M复合材料的平均粒径为5-30μm，优选为8-20μm，比表面积为5-80m²/g，优选为5-20m²/g，最优选5-15m²/g。

本发明所述的SiO_x/C/M复合材料按照如下步骤制得：

1)将SiO_x材料、分散剂和M材料进行破碎、混合和筛分，得到均匀分散的浆料；

2)将碳材料加入上述浆料中，在球磨机中进行研磨、分散和混合，制备粘度适宜、分散均匀的浆料；

3)将步骤2)得到的浆料，干燥成形；

4)将步骤3)得到的前躯体，在惰性气氛下烧结，得到SiO_x/C/M复合材料；

5)将SiO_x/C/M复合材料进行筛分、除磁和打包。