[发明专利]低界面阻抗硅/石墨复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及低界面阻抗硅/石墨复合负极材料。该复合负极材料是以纳米硅材料为基底材料，中间层为厚度2～100nm的碳化硅膜，连接硅基体与石墨融合，通过控制膜的厚度保证锂离子在硅/石墨符合体系中的扩散不受界面影响，保证界面低阻抗特征。本发明通过构筑界面层降低硅与石墨之间界面阻抗，实现硅/石墨复合负极材料一体化，然后通过二次造粒、包覆、粉碎、筛分形成低界面阻抗一体化复合负极材料产品。本发明具有的优点是：在硅表面构筑一层具有锂离子穿透能力的碳化硅膜，一方面保护硅在高温下与石墨接触并发生反应而生成碳化硅，进而失去硅的活性；另一方面碳化硅作为硅与石墨融合的界面层，降低了硅与石墨固相之间界面阻抗，提高了硅与石墨的一体化程度。另外，在硅/石墨融合过程中加入气相碳纤维，进一步降低界面阻抗。

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料制备的技术领域，涉及两种不同性质非金属材料之间界面构筑与复合技术。

背景技术

碳硅负极（具体指纳米硅经过碳包覆后的材料）材料还不能直接作为商业化锂离子电池负极材料使用,主要是因为纯碳硅材料容量是正极容量的十倍以上，导致正负极电极质量与厚度上的巨大差异给制造带来困难；更重要的是纯碳硅负极材料大的比表面积、小的振实密度及巨大的体积膨胀带来循环寿命急剧恶化的问题仍然是巨大挑战。因此，当前只有少数厂家将碳硅材料以1-5%比例混进石墨负极中实现其实际应用，但电池循环寿命随着碳硅比例增加而明显恶化，多次循环或高温测试后厚度膨胀大，这主要是由于循环过程中硅与石墨由于体积膨胀巨大差异造成界面缺陷导致电池内部极化大造成的。电池厂家主要通过优化电池的结构设计、制备工艺、正极材料、电解液等相关技术来提高电池的性能，虽然有一定效果，但循环寿命仍然不能满足客户需求。因此，制备硅／石墨一体式负极材料产品，提高复合材料一体化结构程度，增加电化学反应同步性是制备高性能硅/石墨复合负极材料的关键。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种低界面阻抗硅/石墨复合负极材料。该材料具有较高比容量与稳定的循环寿命。

本发明的目的之二在于提供该复合材料的制备方法，该方法工艺简单、条件温和，制备得到的一体化硅/石墨负极材料。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种低界面阻抗硅/石墨复合负极材料，其特征在于该复合负极材料是以纳米硅材料为基底材料，中间层为厚度2～100纳米的碳化硅膜该碳化硅膜的一侧紧密连接基底材料，另一侧与石墨层融合。这样，原本不相容的硅与石墨，通过界面层连为一体；另一方面，通过控制膜的厚度保证锂离子在硅/石墨复合体系中的扩散不受界面影响，达到低界面阻抗特性。

上述的纳米硅材料的粒度控制在50～200纳米范围，纯度99.99%以上。

上述石墨为片层人造或天然石墨；且厚度为0.5~5微米，尺寸小于5-20微米；表面粗化处理后石墨表面有亚微米级的缺陷产生。

一种制备上述的低界面阻抗硅/石墨复合负极材料的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：

a. 将纳米硅材料通过化学气相沉积（CVD）方法，在表面构筑一层厚度2～100纳米的碳膜，然后惰性气氛下950℃～1400度，处理0.5～3小时，然后降至室温，得到硅基材料；

b. 将步骤a所得硅基材料与表面粗化处理后石墨及气相碳纤维，按（10-60）：（90-38）：（0-2）百分比进行均相混合，在100-600兆帕下室温压制5～40小时，然后粉碎、分级，作为复合材料前驱体；

c. 将步骤b所得复合材料前驱体与沥青按照(80-90)：(10-28)的质量百分比混合均匀，并在惰性气氛下升温至100～300度，继续搅拌并均匀混合20分钟～2小时，然后保持搅拌条件下升温至500～800度预碳化2小时，再经高温900～1200度处理5～10小时，冷却，得到低界面阻抗硅/石墨复合负极材料。

上述的CVD方法使用的碳源为乙炔、乙醇或苯，且纯度在99.99%以上。