[发明专利]一种硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池

说明书

本发明涉及一种硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池，属于锂离子电池材料制备领域。本发明的硅碳复合负极材料，包括内核和包覆于内核外的外壳，所述内核为多孔硅，所述外壳为碳纳米管/石墨烯/无定型碳复合体。本发明的硅碳复合负极材料，为核壳结构，碳纳米管/石墨烯/无定型碳复合体包覆于多孔硅内核外，一方面降低比表面积，另一方面防止内核多孔硅与电解液的接触，降低副反应的发生，提高首次充放电效率。采用本发明的硅碳复合负极材料制得的锂电池具有比容量高、首次效率高、循环性能佳等优势。

技术领域

本发明涉及一种硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池，属于锂离子电池材料制备领域。

背景技术

随着国家财政部公布发布了《关于2016-2020年新能源汽车推广应用财政支持政策的通知》，要求锂离子电池具有更高的能量密度，而负极又是组成锂离子电池的重要组成部分，目前市场化的负极材料主要以石墨类材料为主，但是其克容量偏低限制了锂离子电池能量密度的提高。而硅碳负极材料以其克容量高、资源丰富等优点而受到研究者的重视，并应用于高比能量密度锂离子电池等领域，但是其膨胀率高、导电性偏差成为制约硅碳负极材料广泛应用的因素。目前降低硅材料的膨胀措施主要方法有：1)在硅材料表面包覆碳材料，降低其材料膨胀率；2)制备出孔状模板，并将多孔硅材料嵌入孔洞中，降低其膨胀率；3)包覆膨胀率高、导电性强的材料，比如石墨烯、碳纳米管等材料，以降低硅材料的膨胀率及其导电性。但是上述方案虽然对硅碳负极材料的膨胀有一定的改善，但效果不明显，与循环性能好的碳基材料相比，膨胀率仍然偏高，造成其市场化难以广泛推广。

授权公告号为CN 102903896B的中国发明专利公开了一种用于锂离子电池的硅碳复合负极材料、其制备方法和应用，该负极材料为核壳结构，包括核体和依次包覆于核体的中间层及最外层，所述核体为纳米硅，所述中间层为无定型碳，所述最外层为一维纳米碳材料，但是该硅碳复合负极材料的膨胀率较高，致使其导电率、循环性能等仍有待进一步提高。

申请公布号为CN107275590A的中国发明专利公开了一种多孔硅碳复合材料及其制备方法和应用，制备该材料是先由铁硅合金经过机械球磨和酸刻蚀得到多孔硅，与有机碳源通过喷雾造球的方法复合后，再在高温下碳化得到，虽然材料的容量、首次效率及其循环性能有一定的改善，但是效果不明显，同时由于造孔造成其材料的振实密度变低及其电子导电性偏差，进而影响材料的能量密度的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅碳复合负极材料，该硅碳复合负极材料具有较大的比表面积和振实密度。

本发明的第二个目的在于提供一种上述硅碳复合负极材料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种锂离子电池。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种硅碳复合负极材料，包括内核和包覆于内核外的外壳，所述内核为多孔硅，所述外壳为碳纳米管/石墨烯/无定型碳复合体。

所述多孔硅的质量为所述硅碳复合负极材料质量的10～50％。

所述外壳中，碳纳米管、石墨烯、无定型碳的质量比为6～9：0.1～1：2～18。

所述外壳的厚度为100～1000nm。

所述内核的直径为1～9μm。

上述硅碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将多孔硅、有机溶剂、硅烷偶联剂、复合导电液混匀，然后蒸发溶剂得多孔硅/石墨烯/碳纳米管复合材料；所述复合导电液为碳纳米管和石墨烯的复合导电液；

2)将步骤1)所得多孔硅/石墨烯/碳纳米管复合材料与水、有机碳源、功能添加剂混匀，然后进行喷雾干燥，之后于700～900℃保温1～12h，即得；所述功能添加剂为维生素C。