[发明专利]一种硅纳米层石墨复合异质结材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅纳米层石墨复合异质结材料，包括内核和外层，内核是石墨，外层是硅纳米层。本发明还公开了一种所述硅纳米层石墨复合异质结材料的制备方法和应用。本发明的负极材料有效提高了锂离子传输速率，负极材料的克容量，很好地实现了快速充放电，并具有高的能量密度，利于锂离子电池负极材料的实际应用。试验证明，本发明可以提高电池的电性能，显示了较好的动力学行为。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种硅纳米层石墨复合异质结材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，商业化锂离子电池的负极材料主要采用天然石墨、人造石墨等碳质材料，这些石墨化碳质材料的理论容量只有372mAh/g，容量相对比较低，已不能满足如富锂材料，镍锰尖晶石高电压材料等高能量正极材料的要求，极大地限制了整体电池容量的进一步提升。为了满足高容量锂离子电池的需求，研究开发高比容量负极材料已经变得十分迫切和必要。

在非碳负极材料中，硅系材料的理论比容量较高，达到4200mAh/g，且资源丰富，成本低廉，成为最具有潜力的锂离子电池负极材料之一。但纯硅粉组成的负极在脱嵌锂过程中伴随非常大的体积变化，导致负极材料从负极集流体上脱落，从而造成不可逆的容量损失和安全性能降低；同时其易团聚，影响电极的循环稳定性，限制其广泛应用。

补锂技术是近几年发展起来的一种新型材料改性技术，其主要在极片或表面包覆一层锂单质或化合物以提高材料的首次效率和锂离子的传输速率，但其存在包覆层锂化合物与内核硅材料存在结合力差，造成其包覆效果较差，影响其材料的一致性及其循环稳定性。

因此，如何在碳基材料和硅系材料的基础上，开发一种克容量高、膨胀率低、循环性能好的负极材料，是目前亟待解决的问题。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种硅纳米层石墨复合异质结材料及其制备方法和应用，本发明能够有效提高电池锂离子传输速率、负极材料的克容量，很好地实现快速充放电。

本发明提出了一种硅纳米层石墨复合异质结材料，包括内核和外层，内核是石墨，外层是硅纳米层。

优选地，所述硅纳米层的平均厚度为10-100nm。

优选地，所述石墨选自天然石墨、人造石墨中的一种。

优选地，所述石墨的直径为1.5-4.5μm。

优选地，所述硅纳米层与石墨的质量比为1：1-10。

本发明还提出了一种所述硅纳米层石墨复合异质结材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、将石墨与无机镍盐溶液混合均匀得到混合物，调节pH，然后回流加热，离心分离得到镍吸附于石墨表面的样品a；

S2、向样品a中通入氢气，加热进行氢化反应，在石墨层上形成边缘活化位点，即得到样品b；

S3、向样品b中通入乙炔气体，再通入硅源气体，将石墨化碳层附于镍颗粒表面，避免了与硅元素形成镍硅化物，最终得到硅纳米层石墨复合异质结材料。

优选地，S1中，所述无机镍盐选自氯化镍、硫酸镍、硝酸镍中的一种。

优选地，S1中，调节pH至4。

优选地，S1中，所述混合物与无机镍盐溶液的重量比为10：1-1.5。

优选地，S2中，所述加热为在800-1300℃下加热3-5h。

优选地，S3中，所述通入乙炔气体为在800-1000℃的温度下通入乙炔气体10-20min。

优选地，S3中，所述通入硅源气体为在400-500℃的温度下通入硅源气体20-40min。