[发明专利]锂离子电池用核壳结构硅碳复合材料及其制备方法、负极

说明书

本发明公开了一种锂离子电池用核壳结构硅碳复合材料及其制备方法、负极，该制备方法采用酚、醛和聚合物单体包覆SiOsubgt;x/subgt;，再经酸处理和热处理后制得锂离子电池用核壳结构硅碳复合材料；该锂离子电池用核壳结构硅碳复合材料为核壳结构，包括硅基内核、包覆在硅基内核表面的第一碳包覆层以及包覆在第一碳包覆层外面的第二碳包覆层；第二碳包覆层表面具有介孔，第二碳包覆层与第二碳包覆层之间具有空腔。该制备方法不仅工艺简便、成本相对较低、易于实现规模化生产，而且制备的锂离子电池用核壳结构硅碳复合材料具有足够的空间来缓解充放电过程中的体积膨胀，该锂离子电池用核壳结构硅碳复合材料应用于锂电池负极，能够展现出高的首效和充放电容量。

技术领域

本发明涉及电池材料制造领域，尤其涉及一种锂离子电池用核壳结构硅碳复合材料及其制备方法、负极。

背景技术

随着各种便携式电子设备及新能源汽车在近十几年来的快速发展以及广泛应用，人们对锂离子二次电池的充放电性能和容量提出了更高的要求，但目前使用的锂离子电池正负极材料越来越不能满足上述需求；通过改善锂离子二次电池的电化学性能，是改进正负极材料(特别是负极)最方便最有效率的手段；目前商业化的锂离子二次电池普遍采用各种碳材料作为负极，比如天然石墨、改性石墨、中间相碳微球、软碳和硬碳等，然而这类材料比容量太低(如石墨理论容量372mAh/g)已经远远不能满足高能量密度电池的需求，因此开发替代碳材料的新型负极备受瞩目。

其中，硅基负极材料具有高的储锂容量(4200mAh/g)、低的嵌锂电位以及地壳中储量丰富等优点，但是硅基负极材料导电性差，同时其在脱嵌锂条件下，伴随较大的体积变化(＞300％)，会造成硅基负极材料粉化以及活性物质的从集流体上脱落，从而导致电极循环性能的很差；近几年来，针对硅材料的导电性能差和严重体积效应，科研工作者尝试了许多新的方法与技术进行改性以提高循环性能，其中制备核壳硅碳复合材料是一个有效的方法，利用复合材料各组分间的协同效应，一方面改善材料充放电过程中体积膨胀问题，另一方面提高硅负极导电性。

近年来随着锂电池技术的发展，出现了一些碳包覆硅负极材料的合成方法，如申请号201510129121.0公开一种硅碳复合材料及其制备方法及在锂离子电池上的应用，申请号201410025915.8公开一种空心结构材料及其制备方法和用途、申请号201610139926.8公开一种硅基负极材料的制备方法、负极材料和电池、申请号201811543711.8公开一种电池用负极材料及其制造方法、二次电池用负极以及二次电池等，这些方法首先采用SiO₂包覆硅材料，然后包覆有机碳源，最后通过控制温度和气氛以及氢氟酸刻蚀合成碳包覆负极材料，采用上述方法合成碳包覆锂电池负极材料后会出现以下问题：(1)常规的碳包覆仅仅得到核壳结构，不能为材料留有体积膨胀空间，因此电化学性能不佳；(2)采用SiO₂包覆，然后再包覆碳的方法来合成碳包覆的硅碳负极材料，需要进一步采用氢氟酸刻蚀不但增加工艺而且对环境有危害；(3)采用氧化法在硅表面氧化，再包覆碳材料，不仅会严重造成硅材料的浪费，而且不容易控制氧化层的厚度，工艺复杂，往往适应于实验室合成不能商业化生产。

鉴于上述情况，亟待研发一种新型的硅碳复合材料及其制备方法，一方面能缓解硅碳复合材料充放电过程中因膨胀导致的锂离子电化学性能不佳的问题，提高硅碳复合材料的导电性，从而改善锂离子电池的电化学性能，另一方面制备方法简单、成本相对较低，易于实现规模化生产。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明目的是提供一种锂离子电池用核壳结构硅碳复合材料及其制备方法、负极，该制备方法采用酚醛树脂和有机聚合物包覆SiO_x，然后采用酸处理和热处理制得锂离子电池用核壳结构硅碳复合材料，该制备方法不仅工艺简便、成本相对较低、易于实现规模化生产，而且其制备的锂离子电池用核壳结构硅碳复合材料具有足够的空间来缓解充放电过程中的体积膨胀，该锂离子电池用核壳结构硅碳复合材料应用于锂电池负极，能够展现出高的首效和充放电容量。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：