[发明专利]一种核壳结构的硅-碳复合负极材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种核壳结构的硅‑碳复合负极材料及制备方法，其方法采用CVD方式在纳米硅粉颗粒上生长碳壳，制备出具有核壳结构的硅‑碳复合负极材料。其材料由碳空心球壳以及包覆在其内部的负极活性材料单质硅组成，产物为核壳结构。该材料因为具有核壳结构，即预留出了硅在嵌锂脱锂过程中的膨胀空间，有助于提高循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种CVD方法在纳米硅粉颗粒上生长碳壳的方法，制备出具有核壳结构的硅-碳复合负极材料。

背景技术

随着科技不断进步，市场不断发展，多种应用中对电池能量密度的要求在不断提高，硅由于其无与伦比的理论容量(≈4200 mAh/g)、相对较低的放电电势(≈0.5V vs Li/Li+)、对环境无污染，地球上储量丰富，且成本较低，因此作为锂离子电池负极引起了广泛的关注。但硅作为锂电池负极应用也有些需要攻克的难题。首先便是硅在嵌锂脱锂的过程中出现的体积膨胀问题。理论计算和实验表明，嵌锂和脱锂都会导致体积发生320%的变化。硅体积膨胀后会导致以下一系列结果：1.硅的表面颗粒粉化，循环性能差；2.活性物质与导电剂粘结剂接触差；3.在硅表面持续破裂生长的SEI膜，锂源和电解液被不断消耗，导致容量损失较大，并且受温度和添加剂的影响很大，因此会影响锂离子电池中整个比能量的发挥。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种核壳结构的硅-碳复合负极材料及制备方法。该材料以硅为主体提供可逆容量，碳层主要作为缓冲层以减轻体积效应，同时增强导电性。由于该材料具有核壳结构，因此预留出了硅在嵌锂脱锂过程中引起的体积膨胀空间，有利于促进硅的体积膨胀的复原，提高电池的循环性能。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种利用化学气相沉积（CVD）方法在硅粉颗粒上生长碳壳的方法，制备出具有核壳结构的硅-碳复合负极材料，具有高的电池循环性能。具体包括以下步骤：

步骤1：取粒径200-800nm的硅粉，均匀铺开放置于石英舟中；

步骤2：取洁净的铜箔一片，将铜箔上随机打出直径1-2mm的孔若干；

步骤3：用步骤2所得铜箔将步骤1置有硅粉的石英舟包裹完整；

步骤4：将步骤3所得铜箔包覆的石英舟放置于管式炉中，升温至400 ℃，保温30 min；再将真空度设置为0.1-3 Pa；通入流量为10-200 sccm的氩气，升温至所需反应温度，反应温度设置为900-1050 ℃，选择通入流量为5-50 sccm的氢气或不通入氢气，打开液体罐，通过饱和蒸气压的方式通入分压为80-200Pa的乙醇、乙腈或吡啶；保温时间即生长时间为1-5h；

步骤5：在步骤4环境中降温至700℃，关闭碳源；随后降温至室温；

步骤6：取出石英舟，打开铜箔，将硅粉重新搅拌均匀，使下层硅粉重新移至表面；

步骤7：用步骤2得到的铜箔将石英舟再次包覆完整；

步骤8：将步骤7所得的铜箔包覆的石英舟放置于管式炉中，真空度设置为0.1-3 Pa；通入流量为10-200 sccm的氩气，升温至所需反应温度，反应温度设置为900-1050 ℃，选择通入流量为5-50 sccm的氢气或不通入氢气，打开液体罐，通过饱和蒸气压的方式通入分压为80-200Pa的乙醇、乙腈或吡啶；保温时间即生长时间为1-5h；

步骤9：在步骤8环境中降温至700℃，关闭碳源；随后降至室温；结束后，取出样品，制得所述核壳结构的硅-碳复合负极材料。

一种上述方法制得的具有核壳结构的硅-碳复合负极材料。