[发明专利]一种硅-硬碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种硅‑硬碳复合材料及其制备方法，属于锂离子电池材料制备技术领域。磺化聚苯乙烯微球与压电材料稳固结合在一起形成芯材料；将芯材料与纳米硅和酚醛树脂混合，使酚醛树脂和纳米硅均匀地包裹在聚苯乙烯微球的表面；再经洗脱除去聚苯乙烯，形成具有多孔结构的压电材料内核；再经碳化处理，将酚醛树脂碳化为碳材料包覆在芯材料表面，形成内核为多孔结构压电材料、外壳为硬碳的壳核硅‑硬碳复合材料。硅‑硬碳复合材料的多孔结构，有利于吸液保液，降低硅材料的膨胀，提高硅‑硬碳复合材料的克容量发挥及循环性能，并发挥硬碳层间距大、锂离子嵌出速率快的特性，提高倍率性能。同时，压电材料的加入提高了硅‑硬碳复合材料的安全性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料制备技术领域，尤其涉及一种硅-硬碳复合材料及其制备方法。

背景技术

随着市场对高比能量度需求的增加，要求锂离子电池在具有高比能量密度的同时，电池的快充性能和安全性能也能得到保证，而硬碳材料以层间距大、结构稳定、低温性能优异、膨胀率低及安全性能高等优点而应用于启停电源、混合电动汽车等倍率、低温性能要求高的领域，但是其比容量偏低及压实密度低等缺点限制其应用。

硅碳材料以比容量高、材料来源广泛、电压平台低等优点成为高比能量密度电池的首选材料，但是其膨胀率高、循环性能差等缺陷限制其推广应用。虽然研究者通过在硅碳材料表面包覆硬碳改善其循环性能，但是效果不明显，甚至材料的倍率性能偏差。比如专利CN107863512A公开了一种核壳结构的硅碳负极材料及其制备方法，所述硅碳负极材料从内到外依次是由核、缓冲层与壳组成；所述核材料是由SiO、Si、SiO₂及硅酸盐组成；缓冲层材料为碳点或石墨烯量子点；壳材料为硬碳材料，提高其材料的比容量和循环性能，但是其安全性能并没有改善。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硅-硬碳复合材料及其制备方法。本发明的制备方法得到的硅-硬碳复合材料具有较高比容量、循环性能的同时，也具有较好的安全性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种硅-硬碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将磺化聚苯乙烯微球、醇溶剂、四甲基氢氧化铵和压电材料混合，进行复合反应，得到芯材料；

(2)将所述步骤(1)得到的芯材料与有机溶剂、纳米硅和酚醛树脂混合，经过滤、干燥，得到复合材料；

(3)将所述步骤(2)得到的复合材料中的聚苯乙烯洗脱去除，得到前驱体材料；

(4)在保护气氛下，将所述步骤(3)得到的前驱体材料碳化处理，得到硅-硬碳复合材料。

优选地，所述磺化聚苯乙烯微球、醇溶剂、四甲基氢氧化铵和压电材料的质量比为1：20～50：1～5：1～5。

优选地，所述压电材料包括铌酸锂、钽酸锂或锗酸锂。

优选地，所述复合反应的温度为25～100℃，时间为1～6h。

优选地，所述芯材料、有机溶剂、纳米硅和酚醛树脂的质量比为1：50～500：10～20：10～20。

优选地，所述有机溶剂为二氯甲烷和丙酮体积比为1：1的混合溶剂。

优选地，所述洗脱去除所用的溶剂包括四氢呋喃。

优选地，所述洗脱去除的时间为1～12h。

优选地，所述碳化处理的温度为500～800℃，时间为1～6h。