[发明专利]一种复合纳米硅负极及其制备与应用

说明书

本发明公开了一种复合纳米硅负极材料及其制备与应用，属于锂离子电池技术领域，包括纳米硅、三维电子导通骨架和聚合物；所述纳米硅均匀的分散在三维电子导通骨架和聚合物中。本发明示例的复合负极材料，其基本原理在于将纳米硅、三维电子导通骨架和聚合物均匀混合分散，再通过造粒干燥等方法得到复合三维纳米硅负极材料，纳米硅、聚合物以及三维电子导通骨架三者均匀分布，三维电子导通骨架和聚合物具有吸收电解液，保持离子通道的性能，由此保证复合纳米硅负极材料在锂离子电池中工作时优异的离子电导和电子电导性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体而言是一种复合纳米硅负极及其制备与应用。

背景技术

可充电金属离子电池主要有锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等，其中以锂离子电池研究最成熟，应用最广泛，目前已在消费类电子产品、储能系统、动力系统等方面得到广泛应用，但如何提升其能量密度成了限制其进一步应用和发展的技术瓶颈之一。

现有的石墨负极材料的理论容量为372mAh/g，其中商业化石墨负极产品已达350mAh/g左右，基本已无提升空间。硅作为锂离子电池负极材料的理论容量可达4200mAh/g左右，且硅在地壳中的含量丰富，仅次于氧，因此成为研究热点。但是，硅在储锂形成锂硅合金的过程会导致硅材料发生严重的体积膨胀(～300％)，使得电极材料发生粉化碎裂，从集流体上脱落，造成电极容量迅速衰减，最终导致电池循环性能变差。

目前，对硅基负极提出了很多解决方案，如：薄膜结构的纳米硅、碳包覆纳米硅、硅纳米线。但相关研究结果表明硅纳米颗粒、薄膜结构的硅材料在经过长时间的循环后，仍存在在极片层面硅材料的膨胀问题导致的粘结剂脱落，保存液态能量差的问题，降低电池的循环性能，所以不能从根本上改善硅基负极材料的体积膨胀问题；此外采用碳包覆制备的硅复合材料虽然可以有效的解决循环性能问题，但包覆工艺复杂，且由于碳包覆材料一般为无定型结构，在一定程度上会影响整体电极的嵌锂性能；将硅材料制备成纳米线，可以大大改善材料的电化学性能，但是成本太高，并且体积效应带来的低库仑效率并未因材料构型的转换而得到有效解决。

因此，有必要研发一种比容量高和循环稳定性好的锂电池硅复合负极材料，已解决现有技术的不足。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种复合纳米硅负极，以解决现有技术中含硅负极材料易膨胀导电率低导致的电池循环性能下降的问题，另外，制备出的负极材料具有高比容量、长循环寿命等优异性能，能够实现锂离子电池的工业化生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种复合纳米硅负极材料，包括纳米硅、三维电子导通骨架、聚合物；所述纳米硅均匀的分散在三维电子导通骨架和聚合物中。

进一步的，所述纳米硅为晶态纳米硅、非晶态纳米硅、晶态多孔纳米硅、非晶态多孔纳米硅、晶态碳包覆纳米硅、非晶态碳包覆纳米硅、晶态碳包覆多孔纳米硅、非晶态碳包覆多孔纳米硅中一种或多种；纳米硅D₅₀粒径为20-150nm。

进一步的，所述三维电子导通骨架为碳纳米管、超级碳、科琴碳、乙炔黑、石墨烯、人造石墨、多层石墨、膨胀石墨、气相生长碳纤维中的一种或多种。

进一步的，所述聚合物由具有羰基、酯基或低极性中一种或几种的烯属不饱和单体聚合而成。

进一步的，所述具有羰基的烯属不饱和单体为丙烯酸，顺丁烯二酸，顺丁烯二酸锂，顺丁烯二酸钠，丙烯酸钠、丙烯酸锂、甲基丙烯酸，甲基丙烯酸钠、甲基丙烯酸锂中的一种或多种。