[发明专利]一种多组分硅碳材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锂离子电池用多组分硅碳材料制备方法，将纳米硅、碳质导电剂以及无定形碳前驱体均匀分散于溶剂中，而后去溶剂、制粉得到核心材料，最后经两步包覆处理制得具有双层外壳的核壳结构的硅碳材料。将本发明方法制备的硅碳材料作为锂离子电池负极材料，其可逆容量为1300~1600mAh/g，首效80~85%，在1C/1C的制度下循环1300周容量保持率大于等于80%。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法，特别涉及一种作为锂离子电池负极材料的多组分硅碳材料及其制备方法。

背景技术

电动汽车是锂离子电池的核心应用领域之一，开发电动汽车用锂离子电池是本行业的重中之重，我国政府也对高能量密度、高循环性能、高倍率性能的锂离子电池发展给予了诸多补助政策，并提出2020年实现300Wh/KG的电动汽车用锂离子电池的目标。

目前应用最广泛的锂离子电池负极材料为石墨负极材料，该材料具有价格低、循环性能好、倍率性能较好的特点，但其能量密度却无法满足锂离子电池达到300Wh/KG能量密度的需求，因此，具有高能量密度的硅基负极材料就成为人们的关注焦点。

然而，硅基负极材料也是存在较多问题的，最关键的三个问题是价格高、膨胀大、循环寿命短。为了解决硅基材料的高价、高膨胀、短循环问题，人们采用了多种改性方案：

专利（申请号：CN201611211693.4）以稻壳为原料制备硅碳材料，该方法只有利于降低产品价格，但对膨胀及循环问题是远没有解决的，此外，该方法中产品的硅含量根本无法控制，工艺路线无法产业化。

专利（申请号：CN201710662065.6）开发了一种多孔硅负极材料，该方法虽然有利于解决膨胀及循环，但工艺繁琐，造价较高。

基于此，本发明提供了一种多组分、复合型硅碳石墨负极材料，首先让纳米硅与碳质导电剂、无定形碳形成核心，而后在其表面进行两层包覆，无定形碳一方面可以将纳米硅均匀分散开来，一方面可以极大地缓冲硅材料的体积变化；碳质导电剂可以将纳米硅外围形成导电网络；两层包覆层一个可以彻底隔绝硅与电解液的接触，一个可以存储更多的电解液，可以避免循环过程中因电解液消耗而产生的循环跳水。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，旨在提供一种多组分硅碳材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种锂离子电池用多组分硅碳材料，其特征在于：所述硅碳材料包括纳米硅、碳质导电剂、无定形碳、致密热解碳、疏松热解碳；所述硅碳材料为核壳结构，所述硅碳材料的核心部分包括纳米硅、碳质导电剂、无定形碳，所述纳米硅与碳质导电剂均匀地分散在无定形碳中，所述硅碳材料的外壳结构为致密热解碳、疏松热解碳组成的双层外壳。

优选的，所述硅碳材料的核心结构为：纳米硅与碳质导电剂均匀地分散在无定形碳中，D₅₀=5~20μm；所述硅碳材料的外壳结构为：双层外壳，内层外壳为致密的10~1000nm厚的热解碳，表层外壳为多孔疏松的5~50nm厚的热解碳。

其中，所述纳米硅为米粒状，纯度≥99%，长端距为50~120nm，宽端距为10~25nm；所述碳质导电剂为石墨负极材料、石墨导电剂、乙炔黑、炭黑、碳纳米管、气相生长碳纤维、石墨烯中的一种或多种；所述无定形碳的前驱体为沥青、酚醛树脂、多羟基醇中的一种或多种；所述致密热解碳的前驱体为残碳率≥75%的沥青；所述疏松热解碳的前驱体为残碳率为20~65%的有机物，所述有机物为沥青、酚醛树脂、多羟基醇中的一种或多种。

一种锂离子电池用多组分硅碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

B1、将纳米硅、碳质导电剂以及无定形碳前驱体均匀分散于溶剂中，得到浆料；

B2、在120~300℃的惰性气氛下，将上述浆料烘干成粉粒，而后压制成块料；