[发明专利]一种锂离子电池硅掺杂碳多孔复合薄膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池硅掺杂碳多孔复合薄膜及其制备方法，该制备方法先将单质硅氧化，将氧化的单质硅通过有机硅氧烷改性得到改性单质硅,然后采用经有机硅氧烷改性的单质硅、碳基聚合物、发泡制孔剂和有机溶剂制成的混合溶液制成硅掺杂碳复合薄膜，然后以碳氢化合物为碳源，以惰性气体为载气，通过化学气相沉积法在硅掺杂碳复合薄膜沉积碳纳米材料和发泡剂升华制孔相结合的方法，制得到硅掺杂碳多孔复合薄膜。本发明作为锂离子电池负极材料应用时，其首次嵌锂容量达1027.6mAh/g，首次脱锂容量为997mAh/g，库仑效率为97.02％，循环100次后，其库仑效率为91.31％，显示优异的充放电性能。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料用硅掺杂碳多孔复合薄膜及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是便携式电子设备及电动汽车的理想电源，发展具有高能量密度、长循环寿命以及高密度的新材料是目前锂离子电池研究领域的热点。目前主要的商业化的锂离子电池负极材料以石墨负极材料为主，其实际比容量已经接近372mAh/g的理论值，其较低的理论容量制约了锂离子电池的能量密度的提高，因此进一步研发具有高比容量、优异的循环稳定性及安全性的负极材料已迫在眉睫。

硅材料是当前埋离子电池负极材料的研究热点，硅具有最高的理论储锂容量(约4200mAh/g)和较低的脱锂电压平台(0.4～0.5V)，是最有潜力取代石墨的新型锂离子电池负极材料之一。然而，硅在充放电过程中表现出巨大的体积变化(约300％)，易导致材料颗粒的粉化和电极内部导电网络的破坏，限制了它的商业化应用。此外，硅属于半导体材料，其本征电导率仅有6.7×10^-4S/cm，而碳类材料嵌脱锂的体积效应小，电导率高，将硅和碳复合起来可以有效缓冲硅的体积效应，减小电化学极化，提高充放电循环稳定性。人们设计了具有多孔结构的碳材料，其内部孔隙为硅的体积膨胀预留了空间，可减少储锂时材料的宏观体积变化，缓解机械应力，从而提高电极的结构稳定性。

气相沉积法是一种常用的制备的多孔碳纳米负极材料的方法，但目前多孔碳纳米负极材料普遍存在介孔孔径分布不均匀、孔径小，电极可逆容量低、充放电循环稳定性不好等局限。例如公开号为CN 200510030785.8的中国专利公开了一种埋离子电池硅/碳/石墨复合负极材料，通过浓硫酸炭化法制备。该材料由单质硅、石墨颗粒和无定形碳组成，不具备多孔结构，其首次脱埋容量在1000mAh/g左右，但经过10次充放电循环，容量即衰减了20％左右，稳定性不好。公开号为ZL200610028893.6的中国专利公开了一种具有纳米多孔结构的硅铜碳复合材料，由高能球磨法制备，孔径在2～50nm，铜含量约为40wt.％，碳含量约为30wt.％。该材料表现出良好的充放电循环稳定性，但可逆容量较低，仅为580mAh/g左右。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种比表面积高、孔径宽、孔分布均匀、电化学性能优异的锂离子电池负极材料用硅掺杂碳多孔复合薄膜。

本发明通过气相沉积与发泡致孔相结合的方法制备的复合薄膜大孔孔径、比表面积等相比较常规气相沉积法所制备的大，可控性好，并且碳基中掺杂具有最高比容量的硅元素，极大提高负极材料的理论储锂容量，具有较高的锂电池应用价值，相对于硅掺杂碳介孔复合纤维，这种薄膜的孔可以达到几十纳米甚至微米级别，孔分布更加均匀，抗硅的体积膨胀效果更为优异。

本发明的另一目的在于提供上述一种锂离子电池负极材料用硅掺杂碳多孔复合薄膜制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种锂离子电池负极材料用硅掺杂碳多孔复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：

1)将3～25质量份单质硅在400～800℃下热处理，得到氧化的单质硅；