[发明专利]一种多孔Si/SiC/C材料的制备方法及负极材料

说明书

本发明涉及一种多孔Si/SiC/C材料的制备方法和负极材料，其制备方法包括：S1、将废硅粉和镁粉按质量比进行研磨混合，混合物和无水乙醇置于行星式球磨机中进行物理球磨，烘干，得到硅镁合金粉体；S2、在惰性气体保护下，将所述硅镁合金粉体进行加热反应，随炉冷却，研磨，得到所述硅化镁粉体；S3、在CO₂氛围下对硅化镁粉体进行加热反应，随炉冷却，研磨，酸洗，即得。所述多孔Si/SiC/C材料用作锂离子电池负极材料，利用SiC/C保护层上的多孔结构缓解了内部被包裹的硅的体积膨胀效应，同时SiC/C层可以将硅包覆得更加完全，从而有效提高了硅碳负极材料的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及锂电池领域技术，尤其是一种多孔Si/SiC/C材料的制备方法及负极材料。

背景技术

锂离子电池是当前便携式电子设备(如手机、数码相机和便携式笔记本)电源的主要选择，也越来越广泛应用于电动汽车、混合动力电动汽车、大规模储能、空间技术、国防工业等多个领域中。随着近年来新能源汽车的快速兴起，原有锂离子电池的能量密度及功率性能都已无法满足需求，开发新型电池材料及优化电池制造技术，提高锂离子电池的续航能力和功率特性是促进电动汽车行业高水平发展的关键。一般认为，决定锂离子电池能量密度的关键是其电极材料，特别是正极材料。为此，学术界和产业界把主要目光都放在了开发新型正极材料上面，如镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料和富锂锰基三元材料等。然而，对于负极材料的关注明显要弱的多。

目前，锂离子电池的负极材料主要以改性天然石墨和人造石墨为主。虽然其理论比容量(372mAh/g)比现有所有正极材料都要高，但其较低的嵌锂电位带来的锂枝晶沉积，进而引发的短路隐患，以及其较差的倍率性能，都使得石墨材料不太适合作为动力电池负极材料使用。因此，寻找高比容量、高倍率性能的新型负极材料近年来引起了锂离子电池产业界的广泛关注。

硅基负极材料的理论比容量高达4200mAh/g，而且具有较低的放电平台，因而受到人们的广泛关注。然而，硅的半导体特性及其嵌锂之后巨大的体积膨胀，使其循环稳定性非常差。目前，解决硅基负极材料循环稳定性问题的主要策略包括硅纳米化、碳包覆、陶瓷层包覆、改良粘结剂和研发电解液添加剂等。其中，碳包覆策略应用最为广泛，但将硅进行纳米化或者多孔化，缩短锂离子的扩散距离和缓解体积膨胀，是实现硅碳负极材料高性能的前提。

目前，高品质的纳米硅多采用气相沉积方法制备，成本较高，限制了其商业化应用。另外一种制备纳米硅的方法是球磨或者砂磨，但一方面球磨或者砂磨的出料细度很难达到合适的纳米尺寸，另一方面，研磨过程中产生的高能量会诱导非活性的碳化硅层生长，一般认为其对硅负极材料的储锂性能具有负面作用。不过，近年来最近清华大学化工系魏飞教授课题组在期刊Nano Letters上发表“碳化硅作为抑制化学反应的保护层增强硅基负极稳定性(Silicon Carbide as a Protective Layer to Stablize Si-Based Anodes byInhibiting Chemical Reactions)的研究文章(Nano Lett.2019,19,8,5124-5132)”相关研究组的研究也表明，在硅颗粒表面引入一层薄的完整的碳化硅(SiC)层，形成Si/SiC/C结构，会提高负极表面SEI层的稳定性，从而提高循环稳定性。但SiC层的引入方法一般需要预沉积一层乙炔黑，再经过高温反应，不仅工艺复杂，而且碳化硅层的厚度与均匀性也很难得到保证。为此，开发一种SiC涂层厚度可控的高性能Si/SiC/C负极材料的低成本制备工艺仍然有迫切的需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的锂电池硅基负极材料性能的不足，提供一种多孔Si/SiC/C材料的制备方法，该方法基于廉价、高纯度的光伏产业废硅粉为原料，可以低成本制成负极材料，并且具有较好的电化学性能。

具体方案如下：

一种多孔Si/SiC/C材料的制备方法，包括如下步骤：