[发明专利]一种高稳定的锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高稳定的锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法。所述硅碳负极材料由硅碳复合材料，N、S共掺杂多孔碳和石墨烯组成，其中硅碳复合材料是在单质硅表面包覆一层有机物裂解碳形成的，占硅碳负极材料含量的5‑50w%，N、S共掺杂多孔碳材料占硅碳负极材料含量的40‑85w%，最外层为石墨烯，占硅碳负极材料含量的0.5‑w10%。本发明首先在单质硅表面包覆一层有机物裂解碳，该碳层可有效缓解单质硅的体积膨胀。其次，N、S元素的共掺杂可进一步提高材料的润湿性，增加多孔碳的储锂容量。最后又以石墨烯包覆，增加了单质硅被包覆的均匀性与致密性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种硅碳负极材料的制备方法及其在锂离子电池方面的应用研究。

背景技术

继金属锂二次电池之后，锂离子电池被开发出来，成为新能源中强而有力的候选者之一。硅单质由于其超高的理论容量（4200mAh/g）而成为科学家们研究的重点。然而，硅在充放电过程中表现出剧烈的体积效应，易导致材料颗粒粉化和电极内部导电网络的破坏，限制了它的商业化应用。

多孔碳材料由于其独特的多孔结构，而逐步进入研究者的视线，元素掺杂可为锂离子存储提供更多的活性位点，提高材料的理论容量和电导率，多孔碳包覆层缓冲了硅的体积效应，并且维持了稳定的电接触。

石墨烯是碳材料的后起之秀，是具有二维网状结构的单层碳原子，柔韧的石墨烯层可吸收应力，缓冲硅的体积效应，改善活性硅颗粒的电接触，维持材料结构稳定和电极完整性。

本发明将单质硅、元素掺杂多孔碳以及石墨烯有机的结合起来，提出了一种新型的合成具有良好的稳定性的硅碳负极材料的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种合成高稳定性硅碳负极材料的有效方法，来缓解硅的体积膨胀，提高循环稳定性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高稳定的锂离子电池用硅碳负极材料，所述硅碳负极材料由硅碳复合材料，N、S共掺杂多孔碳和石墨烯组成，其中硅碳复合材料是在单质硅表面包覆一层有机物裂解碳形成的，占硅碳负极材料含量的5-50w%，N、S共掺杂多孔碳材料占硅碳负极材料含量的40-85w%，最外层为石墨烯，占硅碳负极材料含量的0.5-10w%。

一种高稳定的锂离子电池用硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将单质硅分散在有机物裂解碳源溶液中，得到固含量为10-50%的混合溶液，搅拌混合2h，蒸发、干燥；

（2）将包覆后的单质硅置于管式炉中进行碳化处理，研磨，过筛，得到硅碳复合材料；

（3）将步骤（2）得到的硅碳复合材料与N、S共掺杂多孔碳分散在无水乙醇溶液中，搅拌混合，加入氧化石墨烯分散液，超声0.5-3h，然后逐滴加入聚丙烯酰胺，使分散液发生聚沉，取出固体物质，烘干备用；

（4）将步骤（3）得到的材料置于管式炉中将氧化石墨烯还原成石墨烯，冷却后，经研磨、过筛，最终得到硅碳负极材料。

所述高稳定的锂离子电池用硅碳负极材料制备方法中，步骤（1）中有机物裂解碳源为以下的一种或多种：葡萄糖、聚乙二醇、柠檬酸、酚醛树脂、淀粉；步骤（1）所述有机物裂解碳源的溶剂为水、无水乙醇、四氢呋喃、异丙醇、丙酮和环己酮中的一种或多种；有机物裂解碳源溶液中有机物裂解碳源质量分数占20-50%；单质硅与有机物裂解碳源质量比为1:0.15~1。

所述高稳定的锂离子电池用硅碳负极材料制备方法中，步骤（2）、（4）管式炉温度为600-800℃，时间为2-8h，保护性气氛为氮气、氩气、氖气中的一种。