[发明专利]一种负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种负极材料及其制备方法，所述负极材料包括三维多孔骨架和负载在所述三维多孔骨架上的单质硅，所述三维多孔骨架为包含金属和碳的复合骨架，所述三维多孔骨架中的金属和碳均以单质形式存在；所述金属选自铜、铁、锰、钴、锡、镍、镁、钛、铝或锌中的任意一种或多种。该负极材料，金属和碳构成的复合骨架具有优异的韧性和有序的孔隙结构，能够缓冲硅在锂离子的嵌入脱出过程中的体积效应，增强负极材料的结构稳定性，提高负极的循环稳定性；而且金属和碳导电性优异，与硅复合有效改善负极材料的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种负极材料及其制备方法，属于电池负极技术领域。

背景技术

锂离子电池因具有工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长等特点，成为电池行业的研究重点，尤其是汽车产业发展竞争的焦点。其中，负极作为锂离子电池的重要组成部分，影响着锂离子电池的比能量及循环寿命。

传统的商品化锂离子电池主要采用石墨类碳材料作为负极材料，这种石墨负极的理论比容量仅有372mAh/g，很难满足使用需求。硅基负极材料的理论比容量高达4200mAh/g，远高于石墨，并且来源广泛、成本低廉、环境友好，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。

然而，硅基负极材料在锂离子电池充放电过程中存在严重的体积效应，体积膨胀率为300-400％，负极在充放电循环中承受很大的机械作用力，会随着使用时间的延长而逐渐粉化坍塌，影响电池中活性材料和集流体之间的连接，不利于电子传输；另一方面，体积效应还会使硅基负极材料与电解质之间形成的固体电解质界面膜逐渐增厚，不利于提高锂电池容量，造成锂电池的循环性能急剧下降。

因此，研发一种高容量、长循环寿命的锂离子电池负极材料是目前行业内亟待解决的技术难题。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提供了一种负极材料及其制备方法，能够缓冲硅在锂离子的嵌入脱出过程中的体积效应，增强负极材料的结构稳定性，提高负极的循环稳定性。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一方面，本发明提供了一种负极材料，所述负极材料包括三维多孔骨架和负载在所述三维多孔骨架上的单质硅，所述三维多孔骨架为包含金属和碳的复合骨架，所述三维多孔骨架中的金属和碳均以单质形式存在；

单质硅的熔点高达1410℃，所以在煅烧过程中硅是保持原有形态。碳骨架和金属骨架由共同的有机盐前躯体形成，故金属骨架和碳骨架在空间有效复合，增强了整体骨架的牢固性。

所述金属选自铜、铁、锰、钴、锡、镍、镁、钛、铝或锌中的任意一种或多种。上述金属都可以通过煅烧得到稳定金属氧化物，然后通过加氢还原形成单质，可以稳定存在。

可选地，所述三维多孔骨架以有机盐为前驱体制备得到，所述有机盐选自铜、铁、锰、钴、锡、镍、镁、钛、铝或锌的乙酸盐、丙酸盐、乙二酸盐、丙二酸盐、丁二酸盐、柠檬酸盐、苯甲酸盐、邻苯二甲酸盐、乳酸盐、甘氨酸盐或水杨酸盐中的任意一种或多种。

可选地，所述负极材料中硅、金属和碳的摩尔比为1:(0.1-1):(10-100)；优选1:(0.3-6):(15-50)，更为优选1:0.5:20。

另一方面，本发明还提供了一种负极材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备硅粉和有机盐的混合粉料；

S2、将混合粉料在保护性气体中进行煅烧；在煅烧过程中有机盐被碳化，碳延承有机盐的多孔骨架结构，金属则被氧化，以骨架单质存在，硅则均匀负载在碳及金属氧化物中；

S3、将步骤S2得到的产物破碎，然后在还原性气体中进行煅烧，即得所述负极材料。

可选地，步骤S1中，硅粉和有机盐的混合粉料的制备方法为：