[发明专利]一种气泡珊瑚形态的硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种气泡珊瑚形态的硅碳复合材料及其制备方法和应用。所述硅碳复合材料包括多孔硅和碳壳，碳壳的外层与多孔硅的几何构型一致，多孔硅与碳壳具有共角的特性，其中碳壳紧贴着多孔硅的表面生长，所述多孔硅为其硅碳复合材料的内核，且多孔硅表面与碳壳存在中空空隙。该硅碳复合材料具有缓解体积效应的效果；能最大化的减小碳的含量，提高硅的含量，从而提高材料的理论比容量，尤其是体积比容量。其中多孔硅的孔隙分布更加均匀且孔隙占比更大，对于硅体积膨胀的缓解更加有效，能够更好的维持硅碳复合材料结构的完整性。在传输上，可以通过硅表面的孔隙为Li⁺传输通道，还可以通过N元素增强传输。

技术领域

本发明属于锂离子电池硅碳负极材料领域，具体涉及一种气泡珊瑚形态的硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，锂离子电池作为储能器件被广泛的应用于便携式电子设备、电动汽车等领域。而电极材料是决定电池性能的重要因素之一。目前商用的锂离子电池负极材料主要是石墨，其具有放电电压低、稳定性好、成本较低等优点，但是石墨负极材料的比容量较低，其理论容值只有372mAh/g，不能满足社会对于高性能、高容量锂离子电池的需求。硅作为锂离子电池负极材料由于具有极高的理论比容量(≈4200mAh/g)，引起了科研工作者的广泛关注。但是硅负极材料也有一些显著的缺点，比如硅负极材料在嵌锂/脱锂过程中能达到400％左右的体积变化，而且由于硅是一种半导体材料，其导电性能较差。近年来，研究者发现通过降低硅材料的尺寸以及与其它材料复合(常见用碳材料)，不仅能够有效的缓解硅材料的体积效应，而且提升其导电性能。然而，这些方法往往成本较高，工艺复杂，工业化难度大。目前，研究者发现利用镁热反应合成硅的技术，成本较低、工艺相对简单，有望实现工业化。

硅藻土就是一种自然状态下的二氧化硅。它是一种统称为硅藻的单细胞藻类死亡以后的硅酸盐遗骸形成的，具有储量丰富、价格低廉等特点。利用硅藻土进行镁热反应，具有一些独到的优势：一方面硅藻土本身的颗粒较小，反应能够充分进行；另一方面所得到的产物能够保持硅藻土本身的多孔结构。目前利用镁粉还原硅藻土做锂离子电池负极材料的方法中，存在着还原后材料结构坍塌；多孔结构由于高温而被破坏；电池稳定性较差等缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用硅藻土制备新颖、高效的硅碳负极材料。本发明主要是利用硅藻土的多孔结构、中空间隙以及高温下紧贴着P-Si的表面生长，使得碳层与P-Si几何构型一致的特殊碳壳结构，获得一种气泡珊瑚形态的硅碳复合材料。是一种利用碳的前驱体对P-Si表面进行原位包覆，且在碳层与P-Si表面存在着中空空隙的硅碳复合材料。应用在锂离子电池上，能够有效的提高锂离子电池的循环性能和倍率性能。

为实现上述目的，本发明提供一种气泡珊瑚形态的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料包括多孔硅和碳壳，碳壳的外层与多孔硅的几何构型一致，多孔硅与碳壳具有共角的特性，其中碳壳紧贴着多孔硅的表面生长，所述多孔硅为其硅碳复合材料的内核，且多孔硅表面与碳壳存在中空空隙；优选的，碳壳和多孔硅之间的中空间隙尺寸为5～80nm。

进一步，所述硅碳复合材料中多孔硅的形状为多孔状，且内部具有分布均匀的孔隙；

所述硅碳复合材料中硅元素的含量为35-80wt.％，碳元素的含量为20～65wt.％；

所述多孔硅的孔径分布为10～100nm，且粒径分布为500nm～40μm；

所述硅碳复合材料的粒径分布为600nm～50μm。

本发明还保护所述气泡珊瑚形态的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

P-Si的制备：将硅藻土粉末、还原金属粉末以及缓和剂混合均匀，并将所得混合物在惰性气体保护下，将所述混合物以1～5℃/min的速率升温至500～650℃保温反应2～5h进行氧化还原反应，之后将所得氧化还原反应产物冷却至室温，酸洗，洗涤，干燥，得到多孔硅即P-Si；