[发明专利]一种硅碳负极前驱体材料、硅碳负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种硅碳负极前驱体材料、硅碳负极材料及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：将纳米硅粉、石墨和聚合物混合均匀，得到纳米硅石墨复合材料；对纳米硅石墨复合材料进行加压处理，得到紧实的纳米硅石墨复合块料；将纳米硅石墨复合块料在惰性气氛下进行碳化处理，得到硅碳负极前驱体材料。该制备方法保证了硅/石墨/无定型碳的粘接强度以及分散均匀性，大大缓解了硅在充放电过程中的体积膨胀效应，所制得的硅碳负极前驱体材料具有压实密度高、硅碳均匀分布的特点，所制得的硅碳负极材料的比容量、首次充放电效率以及循环性能得到大幅度提升。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种硅碳负极前驱体材料、硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于具有能量密度高、工作电压高、放电电压稳定、循环寿命长以及环保等优点，被广泛应用于便携式电子设备，对车辆的电动化产生了巨大的影响。电动汽车的快速发展也对锂离子电池的能量密度、循环性能、安全性能、使用寿命等提出了更高的要求。负极材料是电池中的重要组成部分，其与正极材料一起决定着锂离子电池的循环寿命、容量和安全性等关键性能，成为各国研究的重点。

硅作为最有希望的新一代负极材料，近年来引起了极大的关注，其理论容量可达到4200mAh/g(Li₂₂Si₅)，约为碳质材料的十倍，且储量丰富，具有较低的嵌锂电位(Si平均脱锂电位0.4V vs.Li/Li⁺)。然而，硅存在电子导电率低的问题，且硅在与锂合金化和去合金化的过程中，存在巨大的体积变化(300％)，导致硅颗粒容易破裂，结构坍塌，使活性物质从集流体上脱落，从而严重影响到电池的循环性能；同时也难以形成稳定的SEI层。将纳米硅与碳质材料复合能够提高硅碳负极材料的电导率，并且碳质材料也可以作为缓冲基质，为硅的体积变化提供一定的缓冲作用。但由于纳米硅比表面积较大，易发生团聚，所得硅碳复合材料中硅往往分布不均，使其对负极材料电化学性能的改善有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种硅碳负极前驱体材料、硅碳负极材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将纳米硅粉、石墨和聚合物混合均匀，得到纳米硅石墨复合材料；

(2)对步骤(1)后的纳米硅石墨复合材料进行加压处理，得到紧实的纳米硅石墨复合块料；

(3)将步骤(2)后的纳米硅石墨复合块料在惰性气氛下进行碳化处理，得到所述硅碳负极前驱体材料。

上述的制备方法，优选的，所述加压处理的压力为10-500Mpa，时间为5-240min。加压处理挤散团聚颗粒，有利于提高复合材料的压实密度，从而提升电池容量，降低极片反弹。为了保证复合材料的分散均匀性以及压实密度，需将加压处理的参数控制在本发明的范围内。

上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，先将温度升至30-300℃并保温0.5-1.5h，再进行加压处理，加压处理的温度为30-300℃，压力为10-500Mpa，时间为5-240min。加压的同时进行加热，可以使聚合物呈流动态并在压力作用下挤入硅和石墨之间的间隙，使纳米硅在碳材料中进一步分散均匀，同时提高复合材料的压实密度。

上述的制备方法，优选的，所述纳米硅粉的粒径为30-500nm，所述石墨的比表面积为5-50m²/g，粒径D50为3-30μm，所述纳米硅粉和石墨的质量比为1：0.5-10。