[发明专利]一种Si/CNT/石墨@C复合硅碳负极材料及其制备和应用

说明书

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体公开了一种Si/CNT/石墨@C复合硅碳负极材料，包括内核以及包覆在内核表面的热解碳；所述的内核为Si@CNT一次颗粒和石墨聚集形成的二次颗粒；所述的Si@CNT一次颗粒包括多孔硅以及原位复合在多孔硅表面的碳纳米管。此外，本发明还公开了所述的材料的制备方法。发明所制备的硅碳复合材料可用于快充锂离子电池，具有倍率性能好、循环稳定性好、使用寿命长、比容量可控的优点，制备流程简单，原料来源广泛，适合大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池用硅碳复合负极及其制备方法，特别涉及一种快充硅碳复合负极材料及其制备方法。属于复合材料与电化学技术领域。

背景技术

为解决当前化石能源燃烧所带来的各种负面问题，开发新型绿色可再生能源迫在眉睫。锂离子电池是目前最具发展前景的一种绿色可充放电化学电源。相较于其他二次电池体系，锂离子电池具有显著优点，并广泛应用于便携式电子器件。而随着人们对纯电动汽车、混合动力电池汽车的需求日益见长，对锂离子电池的能量密度及功能密度提出了越来越高的要求。目前，受限于石墨材料低的理论比容量，锂离子电池的能量密度难以突破；并且在大电流充电时，石墨材料表面容易析锂，导致其快充性能不佳，同时也带来极大的安全隐患。因此，开发具有高容量、具有快充特性的新型锂离子电池负极材料，在提高锂离子电池容量的同时，也使其在短时间内可以进行快速的充电，是当前锂离子电池发展的重要方向，也是当前锂离子电池发展的迫切需求。

专利CN111204756A(申请号：202010124061.4)提出了一种快充石墨负极材料及其制备方法，但是其比容量有限，难以超越372mAh/g。

在众多被研究的可替代高容量负极材料中，硅材料因其超高理论嵌锂容量(4200mAh/g)、高于石墨的嵌锂平台、地壳储量高等优点而被看好。然而硅材料存在的一些问题，如自身导电性差、嵌脱锂过程中的体积变化大、结构不稳定等，严重阻碍了硅材料的商业化应用。且当硅与电解液直接接触时，其表面易发生电解液分解的副反应，造成锂源的不可逆损失。

为了解决上述问题，当前对硅的改性思路主要集中在以下几点：①采用纳米硅，如硅纳米颗粒，硅纳米线，硅纳米片，硅纳米管等；②将纳米硅与高导电材料复合，直接采用纳米硅，虽然可以获得高比容量，但是纳米硅的导电性不佳，且循环多次后存在颗粒粉化、颗粒团聚的问题，因此，纳米硅的循环性能仍需要通过与其他材料进行结构设计来提升。由于碳材料具有优秀的电子导电率，因此，硅碳材料是较为理想的复合材料之一。典型的结构如具有核壳结构的硅/碳复合材料(专利号：201610503372.5)，或者具有中空结构的蛋黄-蛋壳结构(专利号：201210097516.3)。具有核壳结构的硅/碳复合材料，在硅颗粒的表面有一层碳壳，因此，其导电性有较好的保证，但是硅内核在嵌锂过程中仍然会发生体积膨胀，材料的循环稳定性不佳；具有中空结构的蛋黄-蛋壳结构，内部的硅核与外部的碳壳之间具有非常有限的接触，一般只有点接触，因此，其快充性能不好，且制备过程中多涉及到二氧化硅模板的脱除，实施过程具有一定的危险性及危害性。

因此，针对硅碳复合材料，如何在获得高比容量的同时，也能体现出快充特性，有必要提出合理解决方案。

发明内容

为解决现有硅碳材料电化学性能不理想、特别是快充方面性能不理想的技术问题，本发明的第一目的在于，提供一种全新形貌结构的Si/CNT/石墨@C复合硅碳负极材料(本发明也称为负极活性材料或硅碳复合材料)，旨在改善锂离子电池的容量、倍率性能、循环性能、使用寿命，特别是改善快充稳定性。

本发明所要解决的第二的技术问题为提供一种流程简单、制备成本低廉、可大规模生产、具有良好商业化应用前景的一种Si/CNT/石墨@C复合硅碳负极材料的制备方法。

本发明第三目的在于，提供一种所述的Si/CNT/石墨@C复合硅碳负极材料的应用方法。

本发明第四目的在于，提供一种包含所述的Si/CNT/石墨@C复合硅碳负极材料的锂离子电池。