[发明专利]一种碳包覆的介孔硅基负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳包覆的介孔硅基负极材料及其制备方法，该介孔硅基负极材料是通过双模板法将碳源直接包覆于硅源表面，通过焙烧制备而成。模板剂1和模板剂2不仅能够起到支撑作用，而且能够为硅基负极材料提供碳源。该工艺制备的碳包覆的介孔硅基负极材料不仅拥有硅材料高理论比容量的特性，还在一定程度上缓解其体积膨胀，同时用碳进行包覆可有效避免材料的团聚并缓冲膨胀，解决容量衰减迅速，导电性较差，高倍率下容量不能有效释放及硅过度纳米化易二次团聚成颗粒及其比表面积较大等缺陷，进而提高材料的导电性，提高首圈效率、改善电池的循环稳定性及倍率性能。

技术领域

本发明为一种锂离子电池负极材料的制备技术领域，具体涉及一种碳包覆的介孔硅基负极材料及其制备方法。。

背景技术

随着全球经济的快速发展及人们对环境问题的不断重视，新能源汽车将很快在汽车行业落稳脚步。新能源汽车又以具有高能量功率密度、无记忆效应、循环寿命长、工作电压平台高等优点，而且污染小符合环保要求的锂离子电池为驱动电源。目前新能源汽车存在续航里程短，安全性能较低，电池的循环寿命较短等缺陷，因此研发出能量密度高、稳定性能优异的动力锂离子电池已成为当今关键。

正负极材料、电解液和隔膜的性能影响并制约着锂离子电池性能的提高，其中负极材料起到关键作用。目前，已商业化石墨材料实际容量(365mAh/g)已经接近理论容量(372mAh/g)，但是仍然难以满足动力电池高能量密度的要求。研究发现，硅是目前理论容量大的负极材料(～4200mAh/g)，且工作电压低(<0.5V vs.Li/Li+)，最有希望成为下一代锂离子电池的负极材料。但由于硅在充放电循环时体积变化较大及硅的导电性较差，导致可逆容量衰减迅速及高倍率下容量不能有效释放。因此人们通过纳米工艺对硅材料进行改进，在一定程度上缓解硅在循环过程中的膨胀，提高循环稳定性能。然而硅过度纳米化易二次团聚成颗粒，比表面积较大，同时也会造成介孔结构的塌陷，均会严重影响电极容量、库伦效率和循环稳定性；纳米硅制备过程复杂、制作成本较高等这些缺陷均阻碍了纳米硅材料的商业化应用。

为了解决纳米硅材料的这些问题，人们通常将硅适度纳米化和优化硅、碳复合方式，制备出结构稳定的硅基复合材料是提高锂离子电池循环稳定性的有效方法。纳米硅结构在一定程度上能够缓解体积膨胀，与碳材料复合可有效避免材料的团聚并缓冲膨胀，同时提高材料的导电性，提高首圈效率、改善电池的循环稳定性及倍率性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳包覆的介孔硅基负极材料及其制备方法，解决上述背景中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种碳包覆的介孔硅基负极材料，通过双模板法将碳包覆于硅表面，通过焙烧制备而成，所述介孔硅基负极材料中碳与硅的摩尔比为0.05～0.1:1，所述介孔硅基负极材料碳源包括模板剂1和模板剂2，两种模板剂的摩尔比为10～18:1。

一种碳包覆的介孔硅基负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将模板剂1溶解于醇类有机溶剂中，在30～50℃的条件下搅拌2～5h转入到聚四氟乙烯的不锈钢内衬反应釜中，在90～140℃晶化2～6h，得到晶态混合溶液A；在25～60℃将模板剂2溶于盐酸中，待其完全溶解后，加入硅源，继续搅拌得到混合溶液B；将所述晶态混合溶液A在搅拌状态下加入混合溶液B中，搅拌混合后，转入到聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热釜中，经晶化、过滤、洗涤、干燥，焙烧，焙烧温度500～700℃，焙烧时间为5～7h，升温速率为2～6℃/min，即得到所述介孔硅基负极材料。

作为本发明的进一步方案，所述模板剂1为十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基二甲基苄基季铵氯化物中的一种或几种。

作为本发明的进一步方案，所述醇类有机溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇中的一种或几种。