[发明专利]一种硅碳负极材料制备方法及锂离子电池

说明书

本发明提供了一种硅碳负极材料的制备方法及锂离子电池，包括：A)将催化剂前驱体和碳源进行化学气相沉积，得到表面包覆石墨烯层的催化剂；B)用酸腐蚀表面包覆石墨烯层的催化剂，分离得到石墨烯笼材料；C)将石墨烯笼材料与纳米硅球磨，干燥得到前驱体材料；D)将前驱体材料和碳源化学气相沉积，得到硅碳负极材料。本发明采用化学气相沉积法在催化剂表面形成一层薄薄的石墨烯，除去催化剂，形成石墨烯笼结构；在将纳米硅沉积在石墨烯笼内部或表面，再将无定型碳包覆作为缓冲体和导电剂，可以有效抑制硅在循环过程中的粉化，提高循环性能。同时此制备方法简单，且耗时短，能耗低、成本低廉，绿色环保。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，尤其是涉及一种硅碳负极材料的制备方法及其锂离子电池。

背景技术

在目前所研究的硅基材料中，单质硅由于其具有较高的比容量(4200mAh/g)、嵌锂电位低等优点，因而受到广泛的关注。但是将硅材料作为电池材料却并不理想，主要是因为硅在脱嵌锂的过程中存在巨大的体积效应，体积膨胀率高达400％，体积膨胀带来的内部应力使得硅颗粒在循环过程中粉碎，导致活性物质直接从集流体上脱落，容量急剧衰减；另外，硅是一种半导体，电导率为2.52*10^-4S/m，导电性能极差。

已有的研究表明，硅碳复合是目前改善硅体系材料体积膨胀问题的有效体系之一。但仍有很多问题亟待解决：比如与碳复合不均匀、相互之间结合力弱、制备方法复杂等。现有技术得到的硅碳负极材料循环性能差、导电性差。此外，膨胀带来的粉化，直接导致容量迅速衰减、大倍率下充放电性能差。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种硅碳负极材料的制备方法及锂离子电池，本发明制备得到的硅碳负极材料可以有效抑制硅在循环过程中的粉化，提高循环性能和比容量。

本发明提供了一种硅碳负极材料的制备方法，包括：

A)将催化剂前驱体和碳源进行化学气相沉积，得到表面包覆石墨烯层的催化剂；

B)用酸腐蚀表面包覆石墨烯层的催化剂，分离得到石墨烯笼材料；

C)将石墨烯笼材料与纳米硅球磨，干燥得到前驱体材料；

D)将前驱体材料和碳源化学气相沉积，得到硅碳负极材料。

优选的，步骤A)所述催化剂前驱体选自氧化锌、氧化镁、氧化铁、氧化亚铁、金属铁、金属锌、金属钴、金属镍、金属铜及其合金中的一种或几种；

所述碳源选自甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、苯、沥青、酚醛树脂、葡萄糖、蔗糖、淀粉、柠檬酸和抗坏血酸中的一种或几种。

优选的，所述步骤A)所述催化剂前驱体与碳源的质量比为1：2～2：1；所述化学气相沉积的沉积温度为600～900℃；所述气化温度为200～400℃；所述升温速率为2～10℃/min；所述化学气相沉积时间为1～4h。

优选的，步骤B)所述酸选自盐酸、硝酸和硫酸中的一种或几种；所述酸的质量浓度优选为5％～30％。

优选的，所述步骤B)所述用酸腐蚀是在超声条件下，所述超声时间为0.5～2h；所述分离包括离心分离并洗涤沉淀、干燥；；所述干燥温度为50～80℃；所述干燥时间为8～12h。

优选的，步骤C)所述石墨烯笼材料与纳米硅的质量比为(60～80)：(40～20)；所述纳米硅的粒径为1～100nm。

优选的，步骤C)所述球磨转速为300～600r/min；所述球磨是在惰性气体或氮气氛围下进行；所述球磨时间为2～12h。

优选的，步骤D)所述碳源占所述前驱体材料的质量分数为5～25％；所述化学气相沉积的沉积温度为500～1000℃；所述气化温度为300～600℃；所述升温速率为2～10℃/min；所述化学气相沉积时间为1～4h。