[发明专利]一种锂二次电池硅-碳-聚合物复合电极及其制备方法

说明书

本发明涉及一种锂二次电池硅‑碳‑聚合物复合电极及其制备方法，属于锂二次电池负极材料技术领域。所述复合电极由环化的导电聚丙烯腈化学包覆纳米硅形成核壳结构，再与石墨碳材料复合构成。将微米硅与聚丙烯腈(PAN)球磨形成纳米复合物，将得到的复合物与石墨一并加入到PAN的二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中搅拌均匀，干燥后再将混合物置于惰性气氛中加热处理得到最终复合物电极材料。所述电极材料的电导率高，化学稳定性和结构稳定性良好。所述制备方法简单，原料成本低廉，易于实现大规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种锂二次电池硅-碳-聚合物复合电极及其制备方法，属于锂二次电池负极材料技术领域。

背景技术

高能量密度的锂二次电池是下一代锂电池技术的研究热点，传统锂离子电池使用石墨作为负极，其理论容量只有372mAh/g，且石墨的动力学性能较差，其嵌锂平台接近金属锂，在快速充电时容易发生“析锂”现象，易造成电池安全隐患。因此，石墨负极将不能满足下一代高能量密度锂二次电池的要求。硅负极的理论容量能达到3572mAh/g，嵌锂平台(0.5V vs Li/Li⁺)略高于石墨(0.3V vs Li/Li⁺)，是最具潜力的下一代负极材料之一。目前限制硅负极材料应用的主要挑战在于，硅本身的导电性差，需要加入大量导电网络来改善整个电极的电子电导性，此外，它在充放电过程中因其合金反应机制存在巨大的体积变化，从而导致材料与集流体接触不好，粉化失活等问题，所以硅负极经常表现出快速的容量衰减。

目前，已有报道机械混合的硅碳复合电极材料及其制备方法，但尚未见利用环化的导电聚合物包覆硅碳的复合电极材料及其制备方法的报道。

发明内容

针对现有技术中硅碳复合电极的导电性差和结构不稳定导致循环性能恶化的问题，本发明的目的之一在于提供一种锂二次电池硅-碳-聚合物复合电极，所述复合电极具有良好的导电性和稳定的电极结构，表现出高的比容量、高的库伦效率和良好的电池循环容量保持力。

本发明的目的之二在于提供一种锂二次电池硅-碳-聚合物复合电极的制备方法，所述方法简单快速、原料丰富、成本低廉、绿色环保，且易于实现大规模化生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的

一种锂二次电池硅-碳-聚合物复合电极，所述复合电极由环化PAN通过Si-N键包覆纳米硅形成Si-PAN核壳结构，再与碳材料复合构成。所述PAN为聚丙烯腈，所述Si为微米级硅粉末，所述碳材料为石墨、中间相碳微球(MCMB)、针状焦、树脂炭、生物质炭中的一种或一种以上。

其中，优选PAN的平均分子量为150000g/mol。

优选硅的粒子尺度为微米级。

优选PAN与硅的质量比为0.5:9.5～3:7。

优选碳材料为石墨、MCMB、针状焦、树脂炭、生物质炭中的一种或一种以上；

优选Si-PAN纳米复合材料与碳材料的质量比为0.5:9.5～9:1。

一种本发明所述的锂二次电池硅-碳-聚合物复合电极的制备方法，所述方法为球磨和加热煅烧法，步骤如下：

在惰性气氛保护下将PAN与硅研磨混合均匀，置于密封的球磨罐中进行球磨；其中，PAN与硅的质量比为0.5:9.5～3:7。

优选的惰性气体为纯度99％的氩气。

优选的PAN与硅的质量比为1:9。

优选的球磨转速为350转/分钟。