[发明专利]一种硅基合金碳复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅基合金碳复合负极材料及其制备方法和应用。本发明结合纳米化、表面改性技术制备了核壳结构负极材料，内核由聚合物包覆石墨及负载在聚合物表面的硅基合金构成，外壳为裂解碳层。与现有技术相比，本发明借助一种聚合物，将纳米硅基合金均匀负载在石墨表面，改善了硅碳复合材料制备过程中纳米硅基合金的分散性，提高了复合材料的循环稳定性。并且原料成本低廉、复合材料制备工艺简单、制备方法绿色无污染。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域，特别的涉及一种硅基合金碳复合负极材料及其制备方法和在锂离子电池负极方面的应用。

背景技术

随着化石燃料的消耗和大气污染的加重，人们对清洁能源的需求日益增加，锂离子电池以其比能量高、自放电小、无记忆效应等优点成为新能源领域的发展热点，目前商业化负极材料是石墨，比容量仅372 mAh/g，难以满足高能量密度电池的需求，因此急需发展一种高能量密度的负极材料。随着化石燃料的消耗和大气污染的加重，人们对清洁能源的需求日益增加，锂离子电池以其比能量高、自放电小、无记忆效应等优点成为新能源领域的发展热点，目前商业化负极材料是石墨，比容量仅372 mAh/g，难以满足高能量密度电池的需求，因此急需发展一种高能量密度的负极材料。

硅以其理论比能量高(4200 mAh/g)、储量丰富、充放电电压适宜的特点成为最具商业化前景的锂离子电池负极材料之一，但是硅在充放电过程中巨大的体积膨胀、本身电导率低等缺点阻碍了其商业化进程。研究发现，将硅与碳材料复合是解决上述问题的有效手段。在硅与碳材料复合的过程中，纳米硅在石墨表面的分散问题一直没有得到很好的解决，而团聚的纳米硅使复合材料在充放电过程中容量衰减较快，因此，如何解决硅碳复合过程中纳米硅在碳材料中的均匀分布问题，以提高硅碳复合材料的循环稳定性至关重要。

专利CN 201210169022.1公开了一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法，该专利通过调整溶液pH值实现阳离子分散剂对石墨的改性，阴离子分散剂对硅的改性，借助阴阳离子的吸引作用将带负电的纳米硅分散在带正电的石墨表面，虽然该方法也可实现纳米硅的均匀分布，但实验过程需要不断调节溶液pH，操作步骤繁琐复杂。近期，文献Self-Assembly of Silicon@Oxidized Mesocarbon Microbeads Encapsulated inCarbon as Anode Material for Lithium-Ion Batteries. ACS Appl. Mater.Interfaces 2018, 10, 4715−4725.提出用浓度为98%的硫酸和浓度为65%的硝酸按照3:1的体积比对中间相炭微球(MCMB)进行氧化处理，得到带负电的O-MCMB，用强阳离子聚电解质聚二烯基丙二甲基氯化铵(PDDA)处理纳米硅，得到表面带正电荷的Si-PDDA，通过正负电荷吸引的方法使Si-PDDA均匀分布在O-MCMB微球表面。该方法虽然可以将纳米材料均匀分散在碳基质表面，但实验过程中需要用酸处理碳材料，对设备腐蚀严重，不利于大规模生产。虽然研究者们试图去寻找硅碳复合材料制备过程中纳米硅的分散方法，但是仍存在操作步骤繁琐，对仪器设备腐蚀严重等问题。因此，寻找一种制备流程简单，制备方法友好的纳米硅分散方法对硅碳复合材料的制备尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提高纳米硅基材料在碳基质表面的分散性，本发明的目的之一在于提供一种结构稳定，循环性能优异的硅基合金碳复合负极材料。

本发明采用的技术方案如下：一种硅基合金碳复合负极材料，由内核和外壳构成，其中内核由聚合物包覆的石墨及分散在聚合物表面的硅基合金构成，外壳为裂解碳层。

作为优选，所述复合材料含石墨50-80 wt%，硅基合金10-30 wt%，无定形碳5-20wt%。

作为优选，复合材料中值粒径为10-30 μm，优选为15-25μm。振实密度为0.7-1.1g/cm³，优选为0.8-1.0 g/cm³。