[发明专利]一种分级结构硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种分级结构硅碳复合材料及其制备方法和用途。所述硅碳复合材料包括硅基材料和碳材料，所述硅基复合材料具有类球形的形貌，所述类球形的形貌由所述硅基材料和碳材料以片状的形式互相穿插再二次组装形成。制备时，将硅基材料与无机碳源混合、球磨，得到硅基材料与无机碳源的复合材料；再将复合材料与有机碳源溶液混合搅拌，离心分离后，烘干、煅烧，得到所述硅碳复合材料。该方法主要利用物理方法，具有低成本、易操作等特征。本发明制备得到的硅碳复合材料具有较高的导电性能，与纯硅基材料性能相比，有效提升了首周库伦效率，改善了电化学循环稳定性。

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及锂离子电池负极材料，具体涉及一种分级结构硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

在锂离子电池中硅被视为实现高比能电池的重要负极材料。它的理论比容量(Li₂₂Si₅时为4200mAh·g^-1，Li₁₅Si₄时为3580mAh·g^-1)比传统石墨负极高10倍(石墨为350-365mAh·g^-1)。此外，硅对环境无污染，储量丰富。然而，经过20年的研发，人们认识到高容量硅负极材料在锂离子电池中的应用仍然十分困难。

Si在充电和放电过程中会发生300％的体积变化，巨大的体积变化会导致活性材料从集流体上剥落，颗粒之间电接触损失，以及出现不稳定的固体电解质界面(SEI)。这些都会造成容量的衰减，倍率性能变差。SiO相比于Si负极虽然理论比容量较低，但循环稳定性较高且价格低廉，是硅基材料中最具商业化前景的一个负极材料。但是SiO仍然有150％的体积膨胀，导电性差等缺点，也大大限制了其在锂离子电池中的应用。为了改善这些缺点，大量工作通过将导电性优异的纳米材料与SiO复合，或者和采用导电性和机械性能较好的材料进行表面包覆来提升性能。其中SiO-C复合材料因其成本低廉、导电性优异成为了主要的研究方向。传统的SiO-C复合方式主要采用物理的方法将碳源与SiO在溶剂中混合，溶剂蒸干后再进行煅烧碳化。这种方法很难将碳附着在SiO颗粒表面，难以起到缓解体积膨胀的作用。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种分级结构硅碳复合材料及其制备方法和应用。

本发明的目的之二是提供一种锂离子电池负极材料，其包括上述分级结构硅碳复合材料。

本发明的目的之三是提供一种锂离子电池负极，所述锂离子负极包括上述锂离子电池负极材料。

本发明提供一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料包括硅基材料和碳材料，所述硅基复合材料具有类球形的形貌，所述类球形的形貌由所述硅基材料和碳材料以片状的形式互相穿插再二次组装形成。

根据本发明的硅碳复合材料，所述硅基材料可以选自一氧化硅、硅和二氧化硅等中的至少一种；例如，所述硅基材料可以选自一氧化硅。

根据本发明的硅碳复合材料，所述碳材料可以来自于无机碳源和有机碳源。其中，所述无机碳源可以选自石墨、石墨烯、硬碳和软碳等中的至少一种，例如，所述无机碳源选自石墨。其中，所述有机碳源可以选自聚氨酯、三聚氰胺和聚乙烯亚胺等中的至少一种；例如，所述有机碳源选自聚氨酯。

根据本发明的硅碳复合材料，所述硅基材料和所述碳材料的质量比可以为2:3-4:1，例如1:1-3.5:1，示例性地为2:1、3:1、4:1。

根据本发明的硅碳复合材料，所述硅碳复合材料的平均粒径可以为15-70μm，例如20-60μm、30-50μm，示例性地，平均粒径为40μm。

本发明进一步提供上述硅碳复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将硅基材料与无机碳源混合、球磨，得到硅基材料与无机碳源的复合材料；