[发明专利]锂离子电池的负极材料及其制作方法

说明书

本发明提出了锂离子电池的负极材料及其制作方法。该负极材料具有核壳结构，该核壳结构的内核由多个纳米硅形成，形成核壳结构的外壳的材料包括石墨烯，且纳米硅与外壳之间具有膨胀空间，并且，膨胀空间是碳酸钙被刻蚀后形成的。本发明所提出的锂离子电池的负极材料，通过碳酸钙先包覆硅再利用盐酸刻蚀掉，从而形成独特的核壳结构，为纳米硅颗粒预留出膨胀空间，从而既保证了硅容量的发挥也提升了负极材料的循环性能，并且，导电性优异的石墨烯包覆纳米硅，可进一步增加复合材料的导电性，从而提升负极材料的容量。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体的，本发明涉及锂离子电池的负极材料及其制作方法。

背景技术

硅(Si)是目前已知理论比容量最高的锂离子电池负极材料，其理论比容量能达到4200mAh/g，同时，硅基材料还具有嵌锂电位低、锂离子扩散系数高、资源储量丰富和无毒等优势，因此，Si在众多锂离子电池负极材料当中脱颖而出。不过，Si作为锂离子电池负极材料面临如下问题：第一，Si在脱嵌锂的过程中会产生巨大的体积变化(＞300％)；第二，硅颗粒在循环的过程中体积会膨胀，发生破裂、粉碎，甚至使活性物质从集流体表面脱落，导致其容量急剧衰减；第三，硅颗粒的破碎还会导致其表面固体电解质界面(SEI)膜反复地破裂和生成；第四，硅的电导率只有2.52×10^-4Sm^-1，其导电性极差。

为了缓解硅负极材料在充放电过程中的体积效应，提高其电化学性能，现阶段的改进方法有：第一种可以将硅颗粒纳米化，纳米化后锂离子(Li⁺)在电极材料中的扩散距离大大缩短，但是，仅降低材料粒径是难以制备出电性能优异的硅负极材料；第二种优化硅纳米粒子的结构，提高电化学反应动力学，例如选择硅纳米线、硅纳米管或介孔硅等，多孔硅材料内部富含孔洞而大大缓解了胀缩的应力，不过合成介孔硅或网状结构硅粉的方法成本较高且合成条件苛刻；第三种设计复合材料，设计出特殊结构的硅材料与辅助材料复合，可选的辅助材料有金属、碳或石墨烯等，但是方法都工艺复杂、生产周期长或无法工业化生产。

但是，上述的这些改进方法都不能有效地解决硅膨胀和SEI膜的技术问题。

发明内容

本发明人在研究过程中，设计了一种石墨烯包覆核壳结构的硅碳负极材料(rGO/Si@C Core-shell)及其制备方法，该负极材料的制备方法简单、成本低，该结构可以有效解决Si膨胀粉化所导致结构破坏和新SEI膜生长的问题，从而提升了材料的容量和首次放电效率，新型材料石墨烯是一种导电良好的材料，通过包覆的方法大大提高了产物的导电性、倍率和循环稳定性。

在本发明的第一方面，本发明提出了一种锂离子电池的负极材料。

根据本发明的实施例，所述负极材料具有核壳结构，所述核壳结构的内核由多个纳米硅形成，形成所述核壳结构的外壳的材料包括石墨烯，且所述纳米硅与所述外壳之间具有膨胀空间，并且，所述膨胀空间是碳酸钙被刻蚀后形成的。

发明人经过研究发现，本发明实施例的锂离子电池的负极材料，通过碳酸钙先包覆硅再利用盐酸刻蚀掉，从而形成独特的核壳结构，为纳米硅颗粒预留出膨胀空间，从而既保证了硅容量的发挥也提升了负极材料的循环性能，并且，导电性优异的石墨烯包覆纳米硅，可进一步增加复合材料的导电性，从而提升负极材料的容量。

另外，根据本发明上述实施例的负极材料，还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述外壳由内至外依次包括第一壳层和第二壳层，其中，所述第一壳层由碳形成，所述第二壳层由石墨烯形成。

根据本发明的实施例，所述纳米硅的粒径为35～50nm。

在本发明的第二方面，本发明提出了一种制备锂离子电池的负极材料的方法。