[发明专利]硅碳复合物及其制备方法、负极材料、负极片和锂离子电池及其应用

说明书

本发明公开了一种硅碳复合物及其制备方法，通过在制备过程中对氯化钠模板剂进行重结晶，得到小粒径的氯化钠模板剂，进而制得本发明中具有独特双层碳包覆结构的碳硅复合物，第一碳包覆层均匀包覆于硅颗粒表面形成核壳结构的硅碳颗粒，硅碳颗粒分布于所述第二碳包覆层内部的孔中；该碳硅复合物的碳包覆结构提高了复合材料整体的导电性，同时作为硅颗粒表面的保护层，抑制其与电解液间的副反应，实现了锂离子电池硅碳复合物用作负极材料时克容量和循环性能的提升，并且本发明中硅碳复合物的制备中采用的氯化钠模板剂易于回收，采用的有机碳源来源丰富，制备方法具有工序简单、可控性强等优点，具备大规模工业化应用前景。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，尤其涉及锂离子电池材料制备领域，具体涉及硅碳复合物及其制备方法、负极材料、负极片和锂离子电池及其应用。

背景技术

锂离子电池由于具有循环寿命长、能量密度高等优势，已被广泛应用于各个领域，如消费类电子产品、电动汽车、电动工具、储能电源等；随着应用领域的不断扩展，人们对锂离子电池的性能也提出了更高的要求。高比能、高功率、低成本、长寿命、高安全性已成为锂离子电池未来发展的目标，锂离子电池负极是电池的重要组成部分，它的结构与性能直接影响电池的容量和循环性能。研究和开发电化学性能良好的负极材料是锂离子电池研究领域的热点。

目前，商业化锂离子电池大多采用石墨类材料作为负极，理论比容量仅为372mAh/g，难以满足锂离子电池的开发需求。而硅的理论比容量高达4200mAh/g，并且来源广泛、价格低廉、环境友好，是一类具有潜力的锂离子电池负极材料。但是，硅在充放电过程中容易发生体积膨胀，导致电极粉化脱落，电池循环性能较差。对硅材料进行复合结构设计被认为是改善其电化学性能的主要途径之一，其中碳材料因其高导电性和结构的多样性成为首选。但目前的硅碳复合物在结构和制备方法上均存在各式问题，已公开的专利申请CN201810783639.X一种具有多孔结构的锂离子电池硅碳复合负极材料的制备方法和应用，制得具有多孔结构的硅碳复合材料，其中碳孔内镶嵌纳米硅的复合材料，这种结构虽然能在一定程度上缓解硅在循环过程中的体积膨胀，但硅颗粒仍然是暴露在外的，与电解液的直接接触难以避免。

因此，有必要提供一种硅碳复合物及其制备方法，将其应用于锂离子电池中来解决上述技术问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供了一种硅碳复合物及其制备方法，将该硅碳复合物用作锂离子电池负极材料，制备负极片和锂离子电池，该硅碳复合利用其独特的双层碳包覆结构，可以有效改善硅在循环过程中的体积膨胀，提高复合材料的导电性从而改善锂离子电池的循环性能，实现锂离子电池的高比容量和优异的循环性能。

一种硅碳复合物，包括硅颗粒、第一碳包覆层和第二碳包覆层；所述第一碳包覆层均匀包覆于硅颗粒表面形成核壳结构的硅碳颗粒，所述第二碳包覆层的内部为多孔连通结构，所述硅碳颗粒分布于所述第二碳包覆层内部的孔中，且所述第一碳包覆层和所述第二碳包覆层之间存在孔隙。

较佳地，所述硅颗粒的粒径为5-200nm，所述第一碳包覆层的厚度为1-30nm。

如上所述硅碳复合物的制备方法，包括如下步骤：

制备氯化钠模板剂，将商业化氯化钠溶解于水中制成饱和氯化钠溶液，用无水乙醇将氯化钠晶体从饱和氯化钠溶液中析出，随后过滤，并用无水乙醇洗涤多次后，干燥得到所述氯化钠模板剂；

球磨混合，将所述氯化钠模板剂、有机碳源和硅颗粒按配比放入球磨罐中，加入无水乙醇，进行球磨混合，球磨后浆料经干燥得到混合物料；

热处理，将所述混合物料在惰性气氛下、特定反应温度下恒温碳化0.5～5小时，冷却后得到热处理产物；

去除氯化钠模板剂，将所述热处理产物分散于去离子水中，多次洗涤直至溶液电导率接近0时，将所得产物经干燥即得所述硅碳复合物。