[发明专利]一种多孔硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极活性材料制备及应用技术领域，具体涉及一种多孔硅碳复合材料及其制备方法和其在电池中的应用。

背景技术

随着工业技术的发展，能源在人类生活的各个方面都占据着越来越重要的位置，对能源的需求也越来越大。传统的化石燃料如煤炭、石油、天然气在发挥着重要作用的同时也显示了自身的局限性。各国政府都投入了很大的精力发展新能源产业，例如：太阳能，风能，潮汐能等等。锂离子电池作为一种可靠的储能手段，自问世以来就是研究的热点。目前，商品化的锂离子电池负极材料采用的是碳素材料，其具有循环效率高、循环寿命长、电极电位较低等优点。随着在新能源汽车、风能、太阳能储能、智能电网能量储存与转换等领域巨大应用市场逐步明朗化，动力锂离子电池受到了空前的关注。石墨类负极材料在动力锂离子电池中存在诸多不足，不能满足大功率锂电池的需求。

锂离子电池负极材料作为提高电池能量及循环寿命的重要因素，理所应当受到研究者的青睐。与其他负极材料相比，硅基负极材料的储锂容量高达3579mAh/g，具有较低的脱嵌锂电位(<0.5V vs.Li/Li⁺)，价格便宜等优点，因此一经提出就受到研究者的广泛关注并成为研究热点，有望成为商业化材料。然而，研究者发现硅基负极材料在脱嵌锂过程中会发生严重的体积变化(体积膨胀超过300％)，由于体积变化而造成电极粉化、剥落等问题导致性能急剧下降，循环性能差。同时，硅基负极材料的首次库伦效率也较低，硅本征导电率低，形成的SEI膜不稳定容易脱落。这些缺点限制了它在锂离子电池中的实际应用

目前，本领域尚缺乏一种库伦效率高，理论容量高，成本低，循环稳定性好的负极材料。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种库伦效率高、理论比容量高、电池循环稳定性好的多孔硅碳复合材料及其制备方法和应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明提供了一种多孔硅碳复合材料，所述的多孔硅碳复合材料由多孔硅和碳材料复合而成，碳材料包覆在多孔硅材料的表面；所述多孔硅碳复合材料的粒径为1μm-10μm，比表面积为10-30m²/g。

本发明的多孔硅碳复合材料的制备方法包括如下步骤：

1)将铁硅合金经过机械球磨和酸刻蚀得到多孔硅材料，所述的铁硅合金中硅含量为70wt％～80wt％，金属杂质的含量为20wt％～30wt％，所述的机械球磨包括湿法球磨或干法球磨，且采用的球磨转速为200r/min～500r/min，球磨时间为1h～64h，球料比为1:1～20:1；

2)将上述多孔硅材料与有机碳源以一定比例在去离子水中混合制备悬浊液，将所述的悬浊液在喷雾干燥机下进行喷雾造球处理，之后在惰性气氛下高温碳化，得到最终产物多孔硅碳复合材料。

上述技术方案中，进一步的，所述有机碳源包括蔗糖、葡萄糖、柠檬酸或甲壳素。

进一步的，所述的多孔硅材料与有机碳源的质量比例选自下组：4:1，7:3，3:2，1:1，2:3。

进一步的，所述的碳化惰性气氛包括氩气、氮气或氩氢混合气氛。

进一步的，所述的碳化温度选自下组：500℃，550℃，600℃，650℃，700℃，750℃，800℃，850℃，900℃。

本发明的另一个目的在于提供所述多孔硅碳复合材料于制备化学储能装置中的用途。其中，所述化学储能装置包括但不限于电池。

本发明的再一个目的在于提供一种电池负极材料，该材料是以本发明的多孔硅碳复合材料作为电池负极材料的主要活性成分。

进一步的，所述的多孔硅碳复合材料含量为60wt％～80wt％。

进一步的，所述的电池负极材料还包含导电剂和/或黏结剂。

进一步的，所述的电池负极材料中包含10wt％～20wt％导电剂。

进一步的，所述的电池负极材料中包含10wt％～20wt％黏结剂。

进一步的，所述的电池负极材料包含多孔硅碳复合材料、导电剂和黏结剂，且三者质量比可以为(70±10):(10±2):(20±2)。

本发明的再一个目的在于提供一种电池，其包括正极材料、负极材料、电解液和隔膜，其中，所述负极材料包含所述的多孔硅碳复合材料或者上述任一种电池负极材料。

本发明的再一个目的在于提供一种装置，其包含所述的多孔硅碳复合材料、所述的电池负极材料或所述的电池。

与现有技术相比，本发明的优点至少包括：