[发明专利]一种碳纳米管填充硅/空心碳复合负极材料及其制备方法

说明书

一种碳纳米管填充硅/空心碳复合负极材料及制备方法，所述复合负极材料为核壳结构，核为镶嵌有硅颗粒的碳纳米管团族，外壳为热解碳。其制备方法包括将硅颗粒、金属催化剂、有机物混合均匀，保护性气氛下负压热处理制备硅/碳纳米管团族，及硅/碳纳米管团族加入碳源前驱体溶液中搅拌均匀，固液分离，干燥、研磨后进行高温炭化处理后分散于盐酸溶液中，溶解其中的金属催化剂，水洗干燥、烘干，得到碳纳米管填充硅/空心碳复合负极材料。本发明所制备的硅碳复合负极材料可用于提高其用于锂离子电池时的倍率性能、循环稳定性，制备工艺简单，原料来源广泛，适合大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用硅碳复合负极材料及其制备方法，特别是涉及一种具有碳纳米管填充硅/空心碳复合负极材料及其制备方法。属于复合材料与电化学技术领域。

背景技术

目前，锂离子电池市场中，主流负极材料为石墨，石墨具有原料来源广泛、材料性能稳定等优点。但是石墨负极的理论比容量较低，极大地限制了高比能锂离子电池的发展。开发新型高容量负极材料是优化锂离子电池能量密度及功率密度的关键。当前备受研究者广泛关注的可替代负极材料为硅，硅具有极高的地球储量，其理论嵌锂容量高达4200mAh/g。但是实际应用时，其自身存在电子导电率低、充放电过程中体积变化大、与电解液发生副反应所形成的固态电解质膜不稳定，导致在循环数圈后容量极大的衰减并最终失效。

为了解决上述问题，目前对硅材料进行改性研究主要集中在以下几个方面：①采用纳米硅，如硅纳米线、硅纳米管、纳米硅空心球等；②通过与基底材料，特别是与碳材料相复合，充分利用基底材料良好的导电性，并且为硅的体积变化提供应力缓冲；③硅碳材料的结构优化设计。其中，在硅碳材料的结构优化设计中，目前被广泛看好的为设计一种具有中空结构的硅-碳蛋黄-蛋壳(yolk-shell)结构，在该结构中，碳壳提供电子传输，内部的硅核在充放电过程中，其体积变化被局限在碳壳内部，极大的发挥了硅材料的高容量并且可较好的维持复合材料的结构稳定性。

但是在上述蛋黄-蛋壳结构中，内部的硅壳与外部的碳壳之间的接触为点接触，电子传输非常有限，因而倍率性能还有待提高。并且该材料的制备普遍涉及到二氧化硅模板的去除，具体的实施过程有一定的危险性且对环境造成污染。另外，为了保证外层碳壳的稳定性，通常需要预留较大的中空空间，因而所得材料的压实密度较低，不利于极片涂覆过程。考虑到碳纳米管优异的电导性，将硅与碳纳米管进行复合可大大提高电子传输能力。但是普遍采用的方法多为将硅与现有的碳纳米管进行混合，而碳纳米管的分散性较差，这就限制了复合材料的均匀性。

本专利申请者研究后认为，具有中空结构的硅碳复合材料是解决硅所存在的关键问题的合理结构之一，但是为了稳定其结构，所得材料中较大的中空部分造成复合材料自身低的压实密度及有限的电子传输路径，因而研究并开发出一种新的结构及制备方法将推动硅碳复合负极的商业化应用。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种碳纳米管填充硅/空心碳复合负极材料，使得使用所述负极材料制备的锂离子电池的容量、循环性能、倍率性能、使用寿命高于普通的硅碳负极材料。

本发明所要解决的第二个技术问题为提供一种流程简单、制备成本低廉、可大规模生产、具有良好商业化应用前景的碳纳米管填充硅/空心碳复合负极材料的制备方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的一种碳纳米管填充硅/空心碳复合负极材料，所述复合负极材料为核壳结构，核为镶嵌有硅颗粒的碳纳米管团族，外壳为热解碳。

本发明提供的一种碳纳米管填充硅/空心碳复合负极材料，所述复合负极材料包括下述组分按质量百分比组成：

硅 10～95％，

热解碳 5～80％，

碳纳米管 5～20％，各组分质量百分之和为100％。