[发明专利]一种硅/碳复合负极材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种硅/碳复合负极材料及其制备方法和用途。所述方法包括：(1)将硅源、碳源和鱼饲料混合，制成复合鱼饲料；(2)将得到的复合鱼饲料喂鱼，并收集鱼的排泄物，烘干，得到硅/碳复合负极材料前驱体；(3)将得到的硅/碳复合负极材料前驱体，在惰性气氛中进行热处理，得到所述的硅/碳复合负极材料。所述方法生产成本低廉，工艺简单，既解决了传统制备方法中硅/碳复合负极材料均一性差和易团聚等问题，又充分利用了生物废弃资源，实现硅/碳复合负极材料的绿色合成；所述硅/碳复合负极材料结构稳定，改善锂离子电池的倍率性能、循环稳定性和快速充放电性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，具体涉及一种硅/碳复合负极材料及其制备方法和用途。

背景技术

传统商用锂离子电池负极材料主要是石墨类物质，其具有结构稳定，导电性性好，成本低廉，绿色环保等特点。随着锂离子电池的应用范围增大，低能量密度石墨类负极材料已然无法满足当前需求。硅负极因其具有4200mAh/g的超高比容量，被认为是最有希望的新型负极材料。但是硅作为负极材料也存在诸多问题，比如硅在锂化反应时会发生剧烈体积膨胀，但在脱出锂离子时会发生体积收缩，由此产生的体积变化将近400％。这种剧烈的体积变化直接导致硅负极材料在服役过程中出现结构破坏、粉碎，致使活性物质与集流体发生脱离，失去电接触，继而恶化循环稳定性。此外，硅的本征电导率较低，故其电子和离子电导率都比较差，难以实现高倍率充放电。

针对上述问题，目前解决策略主要集中在将碳材料与硅材料复合，构筑硅/碳复合材料。在硅负极材料中引入碳材料，一方面可以抑制硅的体积效应，延长电池的循环寿命。另一方面，碳类材料优异的导电性可以大幅改善硅的导电性。因此，硅/碳复合材料成为新一代的极具潜力的锂离子电池负极材料。迄今为止，碳/硅复合材料的制备方法主要有：化学气相沉积法、溶胶凝胶法、高温热解法、机械球磨法和水热合成法等。

CN110534710A公开了一种硅/碳复合材料及其制备方法和应用，制备方法包括：以含水层状结构硅酸盐为硅源，对其在惰性气氛下进行快速加热处理，通过化学气相沉积法在其表面均匀包覆一层纳米碳，酸洗除杂后通过熔融盐系统对硅的氧化物进行还原，然后再经酸洗去除杂质后，用氢氟酸进行刻蚀移除熔融盐及其他氧化物，处理得到硅/碳复合材料；本发明的复合材料中层与层之间以及内部的孔隙，一方面抑制在充放电过程中硅的体积膨胀，同时稳定了在充放电过程中形成的固体电解质界面膜，有利于提高锂离子电池的倍率性能和循环性能；另一方面碳层的包覆有利于提高材料的电导率，提升材料和电解液界面处的电荷转移速率，抑制循环过程中的极化现象，提升电化学性能。

CN103779544A公开了一种多孔硅/碳复合材料的制备方法，步骤为：将可分解的硅化物与碳源经球磨混合后，首先在300-400℃下热处理4-6h，然后在600-800℃下热处理12-20h；所述的热处理过程在保护气体与空气的混合气中进行，所述保护气体与空气的体积比为10-50:1；将热处理后的产物在盐酸和氢氟酸的混酸中处理1-8h后，再经离心、干燥后得到所述的多孔硅/碳复合材料。本发明的制备过程简便，无需采用模板或者借助金属的还原处理，所使用的原料均为工业成品，便于工业化生产；制备得到的多孔硅/碳复合材料的孔径大小可调，作为锂离子电池的负极材料使用时，具有较高的库伦效率及循环稳定性。

CN110289408A公开了一种基于切割硅废料的纳米硅和硅/碳复合材料及制法和应用，其纳米硅制备为：将切割硅废料和金属镁粉进行混合、压片，用泡沫镍包裹后，用细钼丝捆绑在金属钼棒集流体上，作为阳极；将金属钼棒，与不锈钢集流体连接，作为阴极；将镁盐作为熔盐；在熔融镁盐中，浸泡合金化反应0.5-3h，将浸泡合金化的阳极和阴极施加1-2V，恒流电解2-12h，取出冷却，清洗，酸洗，干燥，得到纳米硅。将碳前驱体和纳米硅混合，超声分散、水热原位聚合、热解碳化，得到硅/碳复合材料。

但上述各种方法存在一些问题，如硅/碳复合材料中的硅、碳分散不均匀，易于团聚，结合不牢固等。此外，上述各种方法还存在工艺复杂、环境污染、成本高昂等问题。