[发明专利]一种硅基Si-C负极材料及其电化学合成方法和应用

说明书

一种硅基Si‑C负极材料及其电化学合成方法和应用，属于电池负极材料制备领域。该电化学方法以冶金硅和二氧化碳为原料，在CaCl₂‑CaO基盐中，以静态冶金硅或动态旋转的冶金硅作为阴极，以石墨棒或惰性材料作为阳极，在阴极和阳极之间施加高于氧化钙分解并低于熔盐分解的电压，电解后，通入CO₂，静置，后处理后，得到硅基Si‑C负极材料，该方法通过盐的组分，合成温度、合成时间、分解电压和阴极旋转速率，调控硅基Si‑C负极材料中硅和碳的分布，调控产物形貌和颗粒尺寸。该方法实现了低成本、调控制备硅基Si‑C负极材料，操作过程简单。制备的锂离子电池具有良好的比容量和循环性能。

技术领域

本发明涉及电池负极材料制备领域，具体涉及一种硅基Si-C负极材料及其电化学合成方法和应用。

背景技术

随着便携式电子器件和电动汽车的使用量增加，发展高能量密度的锂离子电池成为迫切需求。石墨是目前商业化的锂离子电池负极材料，其理论容量为372mAh/g，无法满足下一代锂离子电池的高容量需求。因此急切需要开发出一种高容量，高功率密度的负极材料来代替石墨。硅作为锂离子电池负极材料，理论容量高达4200mAh/g，储量丰富，价格便宜，具有较低的嵌/脱锂电位等优势而备受关注。然而，硅在充放电时体积变化超过300％，会造成硅材料本身断裂和粉化而失去电接触活性，导致充放电倍率性能劣化，库伦效率降低等问题。除此之外，硅是一种半导体，不具备良好的导电性。

目前用来解决硅体积膨胀的方式有纳米化、多孔化、掺杂改性等，但是这种解决办法也会带来硅团聚的副作用。一般会通过包覆缓解纳米化带来的副作用。其中，将硅与碳结合形成各种结构的硅碳复合材料是较为常见的一种方式。在硅碳复合材料中，碳不仅可以有效提高电极导电性，还能缓冲硅颗粒在循环过程中的体积变化，提高了电极的循环寿命。但是在目前已有的硅碳复合材料中，大多数是将硅颗粒与碳简单的机械混合，或者将硅分散在酚醛树脂、PVA、柠檬酸、硬脂酸、葡萄糖、蔗糖、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙二醇等有机碳源中进行煅烧包覆。经煅烧后形成的无定形碳隔绝了硅与电解液的接触，提高了材料稳定性，但仍存在硅碳分布不均匀，硅颗粒容易团聚，导电性不足，容易导致欧姆极化等问题。同时，上述硅碳复合材料的制备过程，工艺复杂、生产成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种硅基Si-C负极材料及其电化学合成方法和应用，该电化学方法以硅原料和二氧化碳为原料，在CaCl₂-CaO基盐中，以静态硅原料或动态旋转的硅原料作为阴极，以石墨棒或惰性材料作为阳极，在阴极和阳极之间施加高于氧化钙分解并低于熔盐分解的电压，电解后，通入CO₂，静置，后处理后，电化学合成得到硅基Si-C负极材料，该方法通过盐的组分，合成温度、合成时间、分解电压和阴极旋转速率，调控硅基Si-C负极材料中硅和碳的分布，调控产物形貌和颗粒尺寸。该方法实现了低成本、调控制备硅基Si-C负极材料，操作过程简单。制备的硅基Si-C负极材料，硅、碳分布均匀，硅颗粒尺寸可控，制备的锂离子电池具有良好的比容量和循环性能。

一种硅基Si-C负极材料的电化学合成方法，包括以下步骤：

步骤1：准备

(1)将硅原料、阳极材料、CaCl₂-CaO基盐原料分别烘干；

将硅原料作为阴极；

将阳极材料和不锈钢丝连接，作为阳极；

将烘干的CaCl₂-CaO基盐，置于反应器的内嵌坩埚中，密封；

(2)向反应器内通入惰性气体，保持反应器惰性气氛，并维持正压，在通入惰性气体的同时，将反应器升温；

步骤2：电化学反应

(1)当反应器升温至合成温度，恒温至熔盐熔化为液态后，将阴极和阳极插入熔融的熔盐中；其中，合成温度为600～900℃；