[发明专利]一种SiOx-SiC-C/G硅碳复合材料及其制备和应用

说明书

本发明属于锂离子电池电池领域，具体公开了一种SiO_x‑SiC‑C/G硅碳复合材料，包含石墨内核，以及在石墨内核表面逐层原位包覆的SiO_x层、SiC层和无定型碳层；优选地，石墨内核的粒径为5～15μm；包覆在SiO_x层、SiC层和无定型碳层的总厚度为1～5μm。本发明还公开了所述的材料的制备和应用。本发明提供了一种全新结构的硅碳复合材料，其以石墨为核，且在核的原位包覆有SiO_x层、在SiO_x层上原位包覆有SiC层，并进一步在SiC层表面原位包覆有无定型碳层。本发明研究发现，所述的特殊结构形貌的材料，具有更优的结构稳定性，具有更优的容量以及循环稳定性。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种负极材料特别是利用废碳渣为原料的制备方法。

背景技术

以煤炭、石油为主的化石能量已不能满足人类可持续发展的需求，改善能源消费结构、减少对化石能源的依赖势在必行。锂离子电池作为走在科技前沿的绿色储能器件，已经被广泛地应用于便携式电子设备及电动汽车等领域，同时，这些领域也对储能器件的能量密度提出了越来越高的要求。而现行的锂离子电池用负极材料主要为石墨类，存在比容量低的缺陷，导致能量密度难以得到进一步提升。因此，开发新型高容量负极材料意义重大。在众多新型负极材料中，硅基负极材料广被看好。硅具有高达3579mAh/g的理论嵌锂容量、较低的放电平台(～0.3 VvsLi/Li+)及较高的地壳储量，是长期以来新型高容量负极材料研究领域的重点和热点。然而，硅负极应用于锂离子电池体系时，存在以下问题：在硅负极的嵌锂过程中，会发生高达300％的体积膨胀，在反复的膨胀、收缩过程中，会使得材料破裂、粉化、与集液体失去电接触，最终导致材料失效；同时，在首次嵌锂过程中所形成的固态电解质膜(SEI)会由于硅的体积变化效应发生破裂，并在暴露的新鲜硅表面反复形成新的SEI膜，SEI膜的不断增厚及增多最终导致硅材料结构破坏、性能失效；另外，硅本身较低的电子导电性及离子导电性也限制了电极的容量发挥，严重降低倍率性能。

硅氧化合物(SiO_x，x2)的理论比容量低于纯硅材料，但是其在充放电过程中的体积效应较小，更加易于实现应用突破，并且相比与碳系材料，其比容量依然比较可观。相比于其他金属氧化物，SiOx在充放电过程中所形成的分散性的硅微晶畴不会发生区域融合，避免了在循环过程中大颗粒硅的形成，因而具有较其他金属氧化物更好的循环稳定性。此外，Si-O键较Si-Si键的键合力更强，因而SiO_x的结构稳定性优于硅。但是对于循环稳定性较好的氧化硅基负极，其在充放电过程中，依然存在因导电性不佳而带来的反应活性不高的问题，且在电循环中依然存在较高的体积膨胀，导致材料与电解液接触发生副反应、材料失效快，严重限制了该材料的实际应用。

发明内容

本发明第一目的在于，提供一种具有优异结构稳定性、循环稳定性的全新结构形貌的SiO_x-SiC-C/G硅碳复合材料。

本发明第二目的在于，提供一种所述的SiO_x-SiC-C/G硅碳复合材料的制备方法；特别是涉及一种利用废碳渣(本发明也称为废旧负极活性材料、废石墨) 制备所述的SiO_x-SiC-C/G硅碳复合材料方法。

本发明第三目的在于，提供一种所述的SiO_x-SiC-C/G硅碳复合材料的应用。

本发明第四目的在于，提供一种包含所述的SiO_x-SiC-C/G硅碳复合材料的锂离子电池。

一种SiO_x-SiC-C/G硅碳复合材料，包含石墨内核，以及在石墨内核表面逐层原位包覆的SiO_x层、SiC层和无定型碳层。