[发明专利]一种碳硅负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种碳硅负极材料及其制备方法，该碳硅负极材料为具有核部和壳部的核壳结构，所述核部为负载有纳米硅的多孔碳材料，所述壳部为包覆所述核部的导电碳层，所述导电碳层中包含有导电剂和由有机裂解碳源裂解形成的有机裂解碳。碳硅负极材料的制备方法是利用多孔碳材料的孔隙和表面负载纳米硅，缓解纳米硅的体积膨胀问题；通过水解有机硅源生成纳米硅，克服了纳米硅制备成本高、团聚等问题；采用有机裂解碳和导电剂作为导电碳层，包覆在负载有纳米硅的多孔碳材料，隔离了电解液的侵蚀，保证了材料结构的稳定性。本发明的碳硅负极材料具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，具体涉及一种碳硅负极材料及其制备方法。

背景技术

目前商业化的锂离子电池的负极材料大多采用石墨碳材料，它具有循环稳定性好、寿命长、成本低、导电性优异等特点，但容量己接近理论值372mA·h/g，无法满足当今市场对高能量密度锂离子电池日益增加的需求，开发新型高能量密度、高性能负极材料迫在眉睫，而硅的理论容量达4200mA·h/g，并且脱锂电位平台较低，不易产生析锂，安全性能更好，成为目前最具有开发潜力的锂离子电池负极材料之一。近年来硅碳负极材料已经成功应用到了新能源汽车等领域，并显示出了优异的能量密度。但由于硅材料导电性差，且硅在脱嵌锂过程中伴随着巨大的体积变化(高达300％)，随着锂离子的嵌入和脱出使材料体积发生上述膨胀与收缩产生的机械作用力会使材料在循环过程中逐渐粉化，最终导致电极材料与集流体脱离，丧失电接触，电池循环性能大大降低。

针对硅负极存在的问题，目前主要通过将硅纳米化后再与石墨为主的缓冲基材复合来抑制体积膨胀，提升电学性能，但此方法工艺复杂、纳米硅易团聚且制备成本高，限制了其应用。因此，开发一种制备方法简单、成本低，并且电化学性能优异的锂离子电池负极材料是锂离子电池领域亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述现有的锂离子电池负极材料存在的硅材料体积膨胀、纳米硅易团聚且制备成本高的问题，本发明提供了一种新的碳硅负极材料及其制备方法。

本发明提供一种碳硅负极材料，所述碳硅负极材料为具有核部和壳部的核壳结构，所述核部为负载有纳米硅的多孔碳材料，所述壳部为包覆所述核部的导电碳层，所述导电碳层中包含有导电剂和由有机裂解碳源裂解形成的有机裂解碳。

优选地，所述多孔碳材料的粒径为1μm～20μm，孔隙率为20％～60％；所述导电碳层的厚度为0.01μm～1μm。

优选地，所述多孔碳材料为多孔人造石墨、多孔天然石墨、多孔硬碳、多孔软碳和多孔中间相碳微球中的至少一种；所述有机裂解碳源为沥青、酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂、葡萄糖和蔗糖中的至少一种；所述导电剂为乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、纳米碳纤维、纳米活性炭和石墨导电剂中的至少一种。

优选地，在所述碳硅负极材料中，所述多孔石墨的含量为20wt％～80wt％，所述纳米硅的含量为5wt％～50wt％，所述导电碳层的含量为10wt％～40wt％。

本发明还提供一种碳硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、使用有机硅溶液浸润多孔碳材料，并加入醇或水反应，反应后对产物进行烘干，得到负载有纳米二氧化硅的多孔碳材料的第一前驱体；

S2、将所述第一前驱体与还原剂混合，在保护气氛下进行第一次煅烧，得到负载有纳米硅的多孔碳材料的第二前驱体；

S3、将所述第二前驱体与有机裂解碳源和导电剂混合，在惰性气体保护下进行第二次煅烧，形成包覆于所述第二前驱体的表面的导电碳层，得到所述碳硅负极材料。

优选地，所述有机硅溶液的溶质体积浓度为10％～100％，其中，所述有机硅溶液的溶质为卤代硅烷和/或正硅酸乙酯，所述有机硅溶液的溶剂为正己烷、正庚烷、正戊烷、苯中的至少一种；