[发明专利]一种硬炭-硅碳复合材料及其制备方法与锂离子电池

说明书

本发明提供了一种硬炭‑硅碳复合材料及其制备方法与锂离子电池，涉及锂电池技术领域，硬炭‑硅碳复合材料的结构包括以石墨为骨架，硬炭包裹纳米硅，软炭包覆所述石墨与所述硬炭，所述石墨与所述硬炭通过所述软炭连接。制备方法包括：将可溶性高分子材料和分散剂与纳米硅形成悬浮液，除去溶剂，得到混合物粉末；将混合物粉末加热，炭化；炭化后粉末与石墨和沥青混合均匀，将粉末加入高温包覆反应釜，加热，炭化，再进行筛分，得到硬炭‑硅碳复合材料。本发明所述的硬炭‑硅碳复合材料及其制备方法与锂离子电池，以石墨骨架、硬炭包裹纳米硅、软炭为粘结剂和包覆层的多结构材料，膨胀率低，循环寿命得到提高。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，具体而言，涉及一种硬炭-硅碳复合材料及其制备方法与锂离子电池。

背景技术

随着电池技术的发展，锂离子电池因为具有比容量高、工作电压高、安全性好、寿命长、无记忆效应等一系列优点，广泛应用于3C产品、动力装置和储能设备领域。近年来，随着电子产品及车载与储能设备对小型化、轻量化及多功能、长时间驱动化的要求不断提高，对锂离子电池高能量密度化、高倍率性能且长循环寿命的要求不断提升。

负极材料作为电池四大核心部件之一，对电池综合性能起到关键作用，尤其是在提高电池容量及寿命方面尤为重要。自上个世纪90年代，石墨就占据负极材料90％市场份额的市场份额。但目前商品化石墨类负极材料的可逆比容量已达到365mAh/g，接近372mAh/g的理论比容量值，提升的空间非常有限，因此其他高容量型的负极材料开发应用迫在眉睫。

硅理论比容量为4200mAh/g，是最有潜力的高容量型负极材料，但是纳米硅作为负极材料存在两大致命的缺陷：(1)充放电过程中材料体积膨胀接近380％，不仅导致材料晶体结构塌陷而且破坏电极导电网络结构，进一步导致电池寿命大大缩短，甚至只有几十次的使用寿命；(2)硅是一种半导体材料，其导电性极差，从而影响电池的倍率特性。因此硅无法单独作为负极材料应用，目前人们主要通过将纳米硅和石墨复合形成硅碳复合材料来缓解体积膨胀，提高材料的循环和倍率特性。但这种简单的复合方式也存在一些缺陷：(1)由于石墨在充放电的过程中本身也存在10％-12％的体积膨胀，无法从根本上解决材料膨胀粉化的问题；(2)纳米硅和石墨的物理结合力较弱，复合材料表面存在大量裸露的纳米硅颗粒会跟电解液不断的反应形成SEI膜(固体电解质膜)，从而导致电池循环后期电解液不足，使电池寿命终止。

由此可见，当前产品化的硅碳负极依然不能满足当前及未来锂离子电池的实际需求。

发明内容

本发明解决的问题是，纳米硅作为负极材料时，充电过程导致膨胀程度较大，与石墨复合形成硅碳复合材料也无法消除充电膨胀，以及复合材料表面存在大量裸露的纳米硅颗粒会跟电解液不断的反应形成SEI膜，导致电池循环后期电解液不足的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种硬炭-硅碳复合材料，所述硬炭-硅碳复合材料的结构包括以石墨为骨架，硬炭包裹纳米硅，软炭包覆所述石墨与所述硬炭，所述石墨与所述硬炭通过所述软炭连接。

本发明所述的硬炭-硅碳复合材料，为一种以石墨为骨架、硬炭包裹纳米硅，以及软炭包覆石墨与硬炭的结构；通过以石墨骨架、硬炭包裹纳米硅、软炭为粘结剂和包覆层的多结构材料，使得该负极材料在满充电的状态下电极的膨胀率≤15％，循环寿命也相应的得到提高：0.5C循环400次容量剩余率为86％。

本发明的另一目的在于提供一种锂离子电池，包括电池负极，所述电池负极包括集流体和负载在所述集流体上的负极材料，所述负极材料包括负极活性物质、负极粘结剂与导电组分，所述负极活性物质包括上述所述的硬炭-硅碳复合材料。

进一步地，所述负极活性物质与所述负极材料的质量比在60～85％范围内。