[发明专利]硅碳复合材料、其制备方法、锂离子电池用硅基负极及锂离子电池

说明书

本发明提供了一种硅碳复合材料、其制备方法、锂离子电池用硅基负极及锂离子电池。该制备方法包括：步骤S1，将硅粉、表面活性剂和第一有机溶剂混合，得到硅粉分散液；步骤S2，对硅粉分散液进行干燥，得到硅源前驱体；步骤S3，将硅源前驱体、聚丙烯腈和第二有机溶剂混合，得到混合纺丝浆液；步骤S4，对混合纺丝浆液进行静电纺丝，得到硅碳纤维前驱体；步骤S5，对硅碳纤维前驱体进行碳化，得到硅碳复合材料，其中，表面活性剂为硅烷偶联剂、聚丙烯吡咯烷酮、四氯乙烯组成的组中的一种或多种。利用表面活性剂有效避免了硅粉的团聚，表面活性剂碳化后留下丰富孔隙的碳纤维结构，有效缓冲因硅体积膨胀对其结构的破坏、改善擦了的电性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料的制备技术领域，具体而言，涉及一种硅碳复合材料、其制备方法、锂离子电池用硅基负极及锂离子电池。

背景技术

随着电动汽车、消费电子以及储能等领域的飞速发展，对锂离子电池能量密度、功率密度等要求的不断提高。但受限于目前石墨负极材料较低的比容量上限，相应锂离子电池能量密度的提升空间已相当有限，因而迫切需要开发出更高能量密度锂离子电池。

硅基负极材料因其较高的理论比容量、低的脱锂电位、环境友好、储量丰富、成本较低等优势而被认为是极具潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。但硅在充放电过程中体积膨胀可达300％，在膨胀-收缩过程产生残余应力的作用下，硅颗粒发生粉化、破碎、从极片上脱落，且硅表面不能形成稳定固液界面膜(solid electroly interphase简称SEI膜)，导致电池容量迅速衰减。因此，在结构设计时需要考虑硅颗粒不与电解液直接接触，并且需要为硅的体积膨胀预留出充足的空间或提高周围环境抗体积变化的能力。现有的技术多采用包覆的方式，在硅表面形成无定型碳层。硅碳材料的包覆多采用球磨法或液相包覆法。这种方法制备的材料硅颗粒分布不均，且表面包覆很难完整。

目前，采用静电纺丝技术进行硅碳材料的包覆也成为研究热点，比如将纳米硅粉和有机静电纺丝溶液混合后进行静电纺丝，但是在该过程中，纳米硅粉由于粒度较小容易团聚，因此在有机静电纺丝溶液中分散不均匀，甚至会出现大量硅粒子裸露在碳纤维的表面，而且碳直接包覆硅并不能为硅留出足够的体积变化空间，限制了材料的循环性能的提高。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种硅碳复合材料、其制备方法、锂离子电池用硅基负极及锂离子电池，以解决现有技术中的硅碳复合材料的循环性能不足的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种硅碳复合材料的制备方法，该制备方法包括：步骤S1，将硅粉、表面活性剂和第一有机溶剂混合，得到硅粉分散液；步骤S2，对硅粉分散液进行干燥，得到硅源前驱体；步骤S3，将硅源前驱体、聚丙烯腈和第二有机溶剂混合，得到混合纺丝浆液；步骤S4，对混合纺丝浆液进行静电纺丝，得到硅碳纤维前驱体；步骤S5，对硅碳纤维前驱体进行碳化，得到硅碳复合材料，其中，表面活性剂为硅烷偶联剂、聚丙烯吡咯烷酮、四氯乙烯组成的组中的一种或多种。

进一步地，上述表面活性剂与硅粉的质量比为(0.5～5):1，优选为(1～3):1。

进一步地，上述硅粉分散液的固含量为10％～40％。

进一步地，上述硅粉的粒径为50～150nm，优选步骤S1采用棒销式研磨机实施混合，优选第一有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙醇、丙酮中的任意一种或多种的混合物。

进一步地，上述步骤S2包括对硅粉分散液进行喷雾干燥，得到硅源前驱体。

进一步地，上述聚丙烯腈与硅源前驱体的质量比为(2～10):1，优选混合纺丝浆液的固含量为2％～30％。

进一步地，上述步骤S3包括将硅源前驱体、聚丙烯腈以及第二有机溶剂在超声条件下混合，优选第二有机溶剂为二甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮、苯乙烯、三氯乙烯中的任意一种。