[发明专利]一种绒毛结构的硅负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种绒毛结构的硅负极材料及其制备方法，所述绒毛结构的硅负极材料包括硅基活性材料、碳纳米管、碳层和快离子导体层，所述碳纳米管原位生长于硅基活性材料表面形成绒毛结构，所述碳层包覆在所述硅基活性材料和所述碳纳米管表面，所述快离子导体层包覆在所述碳层表面，所述碳层沿所述碳纳米管轴向方向生长，确保材料最终仍具有绒毛结构。本发明提供的硅负极材料，其表面的绒毛结构，提供了更多的导电通道，保证了硅材料在体积膨胀前后均有可靠的导电接触，从而更好地缓冲体积膨胀，避免被覆膜开裂，同时通过控制碳纳米管的石墨化度，搭配快离子导体层，可大大提高离子电导率，使材料具有高导电性、长循环、高倍率等特点。

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及一种具有绒毛结构的硅负极材料及其制备方法。

背景技术

硅负极材料因其较高的理论比容量（高温4200 mA•h/g，室温3580 mA•h/g）、低的脱锂电位（＜0.5 V）、环境友好、储量丰富、成本较低等优势而被认为是极具潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料，但其在充放电过程中体积膨胀和不稳定的界面反应等问题还未完全解决而极大限制了硅材料的发展。目前硅负极材料的研究方向主要有纳米硅碳复合材料、氧化亚硅材料、无定型硅合金、多孔硅氧材料等，在各个开发方向中，碳包覆都是必要的工艺步骤，在材料表面形成的连续碳膜可以提高硅基材料的导电性，抑制材料与电解液之间的副反应。但有文献证明，在长循环过程中仍然会因为体积膨胀过大而被覆膜开裂，从而使得电接触减少，导电能力变差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有绒毛结构的硅负极材料及其制备方法。本发明通过在硅基内核表面原位生长CNT形成绒毛结构，从而更好地缓冲体积膨胀，避免被覆膜开裂，同时控制CNT的石墨化度，搭配快离子导体层，大大提高离子电导率，使材料具有高导电性、长循环、高倍率等特点。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：

一种绒毛结构的硅负极材料，其特征在于，所述材料包括硅基活性材料、碳纳米管、碳层和快离子导体层，所述碳纳米管原位生长于硅基活性材料表面形成绒毛结构，所述碳层包覆在所述硅基活性材料和所述碳纳米管表面，所述快离子导体层包覆在所述碳层表面，形成多层核壳结构，所述碳层沿所述碳纳米管轴向方向生长。

用拉曼光谱分析时，所述碳纳米管在1360cm^-1和1580cm^-1拉曼位移处显现的峰面积为S₁₃₆₀和S₁₅₈₀，其峰面积比值S₁₃₆₀/S₁₅₈₀满足1＜S₁₃₆₀/S₁₅₈₀≤10。

所述硅基活性材料含有弥散分布的硅微晶，并且由X射线衍射图谱分析中，在2θ=28~28.8°范围内归属于Si（111）的衍射峰的半高宽大于2.7°，对应硅微晶尺寸小于3nm。

所述碳纳米管占所述硅基活性材料的0.1wt%~10wt%。

所述硅基活性材料化学通式为SiO_x，其中，0＜x＜2；所述硅基活性材料粒径为D50=1-20μm，优选为D50=2-10μm；所述硅基活性材料中还包括锂化合物、金属镁盐中的至少一种，具体的可以是Li₂SiO₃、Li₂Si₂O₅、Li₄SiO₄、Li₆Si₂O₇、MgSiO₃、Mg₂SiO₄、Mg₄SiO₆。所述碳层的碳为硬碳、软碳、炭黑、石墨、碳纤维中的一种或多种的组合；所述碳层厚度为2-300nm，优选为5-200nm。