[发明专利]一种碳包覆微纳层次结构硅负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆微纳层次结构硅负极材料及其制备方法和应用，所述碳包覆微纳层次结构硅负极材料包括微纳层次结构硅颗粒和包裹在所述微纳层次结构硅颗粒外层的无定型碳层；其中所述微纳层次结构硅颗粒包括一个硅核和呈辐射状分布在所述硅核表面的多孔硅纳米线阵列。本发明的碳包覆微纳层次结构硅负极材料中，微纳层次结构硅颗粒中的硅纳米线之间的空隙以及硅纳米线上的孔洞可以很好地容纳硅的体积膨胀；无定型碳层可以防止电解液与硅直接接触，减少不稳定SEI膜的形成，提高电导率，同时也在一定程度上有效抑制了硅的体积膨胀，抑制了材料的粉化，整体上提高了材料的结构稳定性与电化学性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域。更具体地，涉及一种碳包覆微纳层次结构硅负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，可移动便携式电子设备以及新能源电动汽车产业迅猛发展。对于这些产品中的大部分而言，作为其能量来源的锂离子电池的性能对产品的品质影响巨大。研发比容量更高、寿命更长、成本更低的锂离子电池，成为了各研究团队的迫切目标。然而目前已广泛商品化应用的石墨负极的理论比容量仅为370mAh/g，难以满足未来市场需求。因此，需要研发更高比容量的负极材料，以提升锂离子电池整体能量密度。

硅是地球上含量第二多的元素，其理论比容量为3600mAh/g，脱锂电压较低(约0.37V vs Li/Li⁺)且环境友好，近年来成为了负极材料的研究热点。但是，硅在嵌脱锂的循环过程中由于物相和结构的变化，会造成300％的体积膨胀并形成大量不稳定的SEI膜，从而导致电极材料的破碎、粉化，最终从集流体上脱落，失去电接触，形成死区。宏观上造成锂离子电池的库伦效率低，容量保持率低，循环稳定性差。同时，硅的低电导率限制了材料的倍率性能。所以，在利用硅的高比容量的同时，提高其循环稳定性与倍率性能是突破硅负极大规模商品化应用的关键。

针对以上问题，将硅基负极材料纳米化、复合化是两条改善电极性能的有效途径。纳米化后的硅材料具有更小的尺寸，在一定程度上有效释放体积膨胀产生的应力、削弱粉化程度、保持电极结构完整，同时还缩短了Li+的传输距离，加快反应速度。但是，纳米硅由于比表面积大，振实密度低且表面能高，容易发生团聚。硅与电解液直接接触会生成大量不稳定的SEI膜，导致硅的快速粉化，这都对纳米硅的实际使用产生了障碍。

对硅材料进行复合化，引入碳等导电性能好、体积效应小的材料，在提高材料导电性从而提高倍率性能的同时，可以避免电解液与硅直接接触，避免大量不稳定的SEI膜的形成，可以一定程度上减弱材料的粉化从而提高材料整体的循环稳定性。然而，在实际操作过程中，被引入材料的含量直接影响着复合材料的性能，含量过高会降低材料整体比容量，含量过低则不能有效包覆硅，裸露的硅仍会与电解液直接接触形成大量不稳定的SEI膜，最终导致材料的快速粉化。

因此，本发明提供了一种抑制材料的粉化、减少不稳定SEI膜形成、以及提高材料结构稳定性与电化学性能的碳包覆微纳层次结构硅负极材料。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种碳包覆微纳层次结构硅负极材料。

本发明的另一个目的在于提供一种碳包覆微纳层次结构硅负极材料的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种碳包覆微纳层次结构硅负极材料的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种碳包覆微纳层次结构硅负极材料，包括微纳层次结构硅颗粒和包裹在所述微纳层次结构硅颗粒外层的无定型碳层；其中所述微纳层次结构硅颗粒包括一个硅核和呈辐射状分布在所述硅核表面的多孔硅纳米线阵列。本发明的碳包覆微纳层次结构硅负极材料中，微纳层次结构硅颗粒中的硅纳米线之间的空隙以及硅纳米线上的孔洞可以很好地容纳硅的体积膨胀；无定型碳层可以防止电解液与硅直接接触，减少不稳定SEI膜的形成，提高电导率，同时也在一定程度上缓冲了硅的体积膨胀，抑制了材料的粉化，整体上提高了材料的结构稳定性与电化学性能。