[发明专利]一种核壳结构的硅碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种核壳结构的硅碳负极材料及其制备方法，所述硅碳负极材料从内到外依次是由核、缓冲层与壳组成；所述核材料是由SiO、Si、SiO₂及硅酸盐组成；缓冲层材料为碳点或石墨烯量子点；壳材料为硬碳材料。本发明中核材料是由改性的氧化亚硅材料组成，通过SiO与NaOH的高温反应生成纳米硅和钠硅酸盐，可解决SiO在首次充电过程中与Li反应导致首次库伦效率低的缺点；同时，生成的钠硅酸盐作为缓冲介质能够有效抑制材料在脱嵌锂过程中带来的体积变化，提高电极的循环性能。导电碳作为包覆层，碳点或石墨烯量子点的引入提高了材料的导电性并且起到缓冲层的作用，从而使得电池的循环性能稳定以及可逆容量高。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种核壳结构的硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于具有比容量高、充放电效率高、循环性能好和成本低的优势，逐渐成为研究工作的热点。电子产品及新能源汽车技术的快速发展，对锂离子电池提出了更高的要求。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，影响着电池的比能量及循环寿命要求，一直是锂离子电池研究的重点。

硅基负极材料具有较高的储锂容量和较低的电压平台，是锂离子电池负极材料研究的热点之一。然而，硅材料巨大的体积膨胀率(＞300％)和低的电导率，从而限制了其商业化应用。与硅相比，一氧化硅(SiO)具有硅与氧化物混合相结构，使其在嵌锂过程中体积膨胀更小，循环稳定性更好。并且理论比容量(2600mAh/g)也较高，另外，SiO价格较为低廉，因此，SiO被认为是有望替代石墨的负极材料之一。

但SiO也存在以下问题：(1)在嵌锂过程中有200％的体积膨胀，产生的应力较大，会导致电极粉化、破坏导电网络，使容量快速衰减；(2)在首次嵌锂过程中生成的惰性氧化锂和硅酸锂相，使首次循环的库仑效率低；(3)在随后的充放电过程中，由于固体电解质相界面(SEI)膜不断生成，耗Li⁺，库仑效率低于100％，导致实际电池中负极相比于正极的可脱锂容量大幅降低；(4)SiO作为半导体，电导率远低于石墨，因此在大电流充放电时，会有较严重的欧姆极化。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种核壳结构硅碳负极材料及其制备方法。用于提高首次库伦效率，缓解SiO循环过程中体积效应显著及导电率低等缺陷。

一种核壳结构的硅碳负极材料，所述硅碳负极材料从内到外依次是由核、缓冲层与壳组成；所述核材料是由SiO、Si、SiO₂及硅酸盐组成；缓冲层材料为碳点(CDs)或石墨烯量子点(GQDs)；壳材料为硬碳材料。

进一步方案，所述壳层和缓冲层中的碳材料总量占硅碳负极材料总质量的10-30％。

本发明的另一个发明目的是提供上述一种核壳结构的硅碳负极材料的制备方法，其包括以下步骤：

(1)将SiO颗粒与NaOH在保护气体下于800-950℃加热10-30min，获得核材料；

(2)对步骤(1)制备的核材料进行改性，使其表面带有正电性；

(3)配制浓度为1.5-4.5mg/ml的碳点水溶液或石墨烯量子点水溶液；

(4)将步骤(2)改性后的核材料加入步骤(3)中的碳点水溶液或石墨烯量子点水溶液中，超声后搅拌30-60min；通过静电吸附作用获得包覆SiO，然后干燥；

(5)将干燥后的包覆SiO与有机裂解碳混合，并在惰性气氛保护下进行烧结；

(6)将步骤(5)制备的产物使用电磁分离机除磁，并控制磁性物质总含量小于70ppm，获得双层碳包覆的氧化亚硅材料。