[发明专利]一种锂离子电池多孔纳米硅-碳复合负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种锂离子电池多孔纳米硅‑碳复合负极材料及其制备方法，具体地，该方法包括步骤：(1)提供一硅‑活泼金属合金块体；(2)用所述合金块体与液相造孔剂进行反应以除去所述合金块体中的活泼金属，得到多孔硅纳米材料；(3)用氢氟酸清洗所述多孔硅纳米颗粒以去除氧化硅，得到经氢氟酸清洗处理的多孔硅纳米材料；(4)在惰性气体中，在碳源存在下，对所述经氢氟酸清洗处理的多孔硅纳米材料进行煅烧，得到多孔硅‑碳复合电极材料。该方法制得的多孔硅材料具有纳米多孔结构，硅纳米颗粒尺寸小而均一，可用作锂离子电池负极材料，显示了高的放电比容量和充放电循环稳定性。

本申请为申请号201410150747.5，申请日为2014年4月15日，发明名称为“一种锂离子电池多孔纳米硅-碳复合负极材料及其制备方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体地，本发明涉及一种可作为锂离子电池负极材料的具有高比容量以及良好循环性能的多孔纳米硅材料，及其制备方法。

背景技术

目前，商用锂离子电池材料广泛使用石墨及改性石墨，但是其理论容量仅为372mAh/g，体积比容量为883mAh/cm³,不能适用当前发展高能量动力电池的需要。近年来，开发新型锂离子电极材料受到全世界科技人员的广泛关注，特别是研发具有高能量密度、良好循环寿命以及简单制备工艺的负极材料成为锂离子电池电极研究的热点之一。硅，锗，锡等负极材料由于其较高的理论容量(分别为ca.4200，ca.1600，ca.990mAh/g)有望成为取代碳基材料作为锂离子电池的负极材料。然而纵观硅，锗，锡等负极材料存在的问题，主要体现在以下几个方面：(1)硅，锗，锡等负极材料在电化学循环过程中存在较大的体积变化，其中理论比容量最高的硅负极材料其体积膨胀高达300％，造成锂离子电池本身电化学循环性能的迅速衰减退化，严重影响了锂离子电池的使用寿命；(2)由于硅负极材料在电池充放电循环过程中结构的不稳定性，随着Li⁺的嵌入和脱出会导致活性电极材料的破裂、粉化、脱落等，会形成新的电极表面层，消耗锂，进而产生了较大的不可逆容量损失，因此基于常规的微米级硅基负极材料锂离子电池的使用寿命问题成为制约其技术发展的瓶颈，同时也阻碍了硅基负极材料的商业化进程；(3)由于硅本身的导电性较差，影响了锂离子电池的大倍率充放电过程的进行。

相对于锗和锡，硅的理论容量更高，达到了4212mAh/g，同时由于负极硅相对较低的生产成本，而成为锂离子电池负极研究的重中之重。因此，如何有效地抑制硅负极在电池充放电过程中体积的变化造成锂离子电池内部结构的破坏以及如何有效改善硅基负极材料的导电性，从而达到提高硅基锂离子电池电化学循环性能是本领域亟需解决的问题。

综上所述，本领域尚缺乏一种导电性能好，可用于锂离子电池负极材料制备具有高放电比容量和充放电循环稳定性的电池的硅纳米材料。

发明内容

本发明提供了一种导电性能好，可用于锂离子电池负极材料制备具有高放电比容量和充放电循环稳定性的电池的硅纳米材料。

本发明的第一方面，提供了一种多孔硅-碳复合材料的制备方法，所述方法包括步骤：

(1)提供一硅-活泼金属合金块体；

(2)用所述合金块体与液相造孔剂进行反应以除去所述合金块体中的活泼金属，得到多孔硅纳米材料；

(3)用氢氟酸清洗所述多孔硅纳米材料以去除氧化硅，得到经氢氟酸清洗处理的多孔硅纳米材料；

(4)在惰性气体中，在碳源存在下，对所述经氢氟酸清洗处理的多孔硅纳米材料进行煅烧，得到多孔硅-碳复合材料。

在另一优选例中，在所述合金块体中，所述的硅的质量百分比为1-99％，较佳地为10-80％。

在另一优选例中，所述的氢氟酸溶液的质量比为1％～30％。