[发明专利]一种锂电池硅碳负极复合材料及制备方法

说明书

本发明涉及锂电池负极材料的技术领域，公开了一种锂电池硅碳负极复合材料及制备方法。包括如下制备过程：（1）在熔融尿素存在下真空处理，使纳米硅粉负载于微孔碳的微孔中；（2）将纳米乙炔黑、碳纳米管、全氢聚硅氮烷分散混合均匀，得到浆状物；（3）全氢聚硅氮烷水解生成二氧化硅涂层，并加热固化，将纳米乙炔黑、碳纳米管牢固粘接包覆在负载纳米硅粉的微孔碳表面。本发明制得的硅碳负极复合材料，一方面纳米硅粉负载于微孔碳的微孔中，并留有间隙，有效解决了硅膨胀的问题，另一方面通过全氢聚硅氮烷的粘接固化将纳米乙炔黑、碳纳米管粘结在微孔碳表面，防止纳米硅与微孔碳脱离，实现牢固、稳定的硅碳复合，且保证了良好的导电性。

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料的技术领域，公开了一种锂电池硅碳负极复合材料及制备方法。

背景技术

目前，商品化的锂离子电池主要采用石墨类碳材料作为负极活性物质。但是，由于碳类负极材料的比容量较低（372mAh/g），目前的锂离子电池难以满足车用锂离子电池的大功率、高容量等要求，因此，需要寻找一种高比容量的负极材料来减少负极材料的使用量，提高锂离子电池的容量和功率。

硅基材料是目前能够满足新一代锂离子电池要求的负极材料。与碳类负极材料相比，硅的比容量较高，其理论容量可高达4200mAh/g，是替代石墨类电极的理想材料。但是由于硅在充放电的过程中，体积会发生剧烈的变化，材料的结构会被破坏，导致锂离子电池的容量衰减，电极循环不稳定，甚至造成电池失效。因此，如何克服硅材料的体积膨胀问题，提高其循环稳定性，是硅基负极材料研究的重点。

鉴于上述问题，现有技术还不能完全使用硅做负极，但可以通过使用部分硅替代石墨作负极来提升容量，最常见的为硅碳复合。比如采用化学气相沉积（CVD）法制备硅颗粒外包裹无定型碳层的复合体系并应用于锂离子电池负极材料，该复合体系虽然在一定程度上改善了硅材料的结构和导电性能，抑制住了锂离子充放电过程中硅的体积效应，提高了循环性能，但CVD法的过程难以控制，不确定因素多，因此很难实现批量生产。

中国发明专利CN102208634A公开了一种多孔硅/碳复合材料及其制备方法，采用金属镁粉还原硅的氧化物制备多孔硅，然后利用有机碳源高温热解碳化在多孔硅上包碳，制备多孔硅/碳复合材料，但硅源、碳源均来自化工合成，成本较高。

中国发明专利CN102237519A公开了锂离子电池三维多孔硅粉负极材料无氟化制备方法，其通过将普通的微米硅、镁颗粒化合反应生成硅化镁，然后在高温下将硅化镁进行热解，形成镁蒸汽和具有三维多孔结构的硅粉，虽然制备的三维多孔结构的硅粉材料具有多孔结构，可以对硅颗粒的体积效应进行自吸收，但是原料成本较高。

中国发明专利申请号201710458128.6公开了一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，制备步骤如下：（1）包覆：采用气相沉积法或热包覆法或液相包覆法对硅粉进行碳包覆，得碳包覆的硅颗粒；（2）分散：将碳包覆后的硅颗粒均匀分散在沥青中进行生长，得到内部均匀分散硅颗粒的碳微球；（3）碳化：将碳微球与其它碳材料通过VC高效混合机即得硅碳负极材料，此发明制得的硅碳材料，硅颗粒分布均匀，表面包覆完整，硅颗粒基本不与电解液接触，而且碳微球可以很好的容纳硅颗粒的体积膨胀，具有首次库仑效率高、循环性能稳定、压实密度高、电极结构稳定等优点，但制备工艺复杂。

总之，现有技术制备硅碳复合材料，大都采用900℃以上的高温烧结，不但工艺复杂、能耗高，而且在解决硅体积膨胀方面还存在问题，为此本发明提出了一种锂电池硅碳负极复合材料及制备方法，可有效解决上述技术问题。

发明内容

针对上述技术问题，为了实现稳定、牢固的硅碳复合，解决硅的体积膨胀问题，本发明提出了一种锂电池硅碳负极复合材料及制备方法，既可防止纳米硅与微孔碳脱离，实现牢固复合，并且可有效解决硅体积膨胀的问题，且具有良好的导电性。

本发明通过以下技术方案达到上述目的：