[发明专利]一种硅-天然石墨复合材料及应用和微量无害杂质催化制备硅-天然石墨复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种硅‑天然石墨复合材料及应用和微量无害杂质催化制备硅‑天然石墨复合材料的方法。硅‑天然石墨复合材料的制备方法是将含有微量无害杂质天然石墨经过干燥、球磨及过筛，得到天然石墨颗粒；在天然石墨颗粒表面通过化学气相沉硅纳米纤维和无定型碳，即得，该方法具有成本低，工艺简单，对设备要求低等优点，该方法制备的硅‑天然石墨复合材料中硅和天然石墨结合紧密、机械强度高，结构稳定，电化学活性高，可以用于制备高循环稳定的锂离子电池。

技术领域

本发明涉及一种硅-天然石墨复合材料，还涉及一种利用含微量无害杂质的天然石墨作为基体，通过原位催化化学气相沉积硅方法制备硅-天然石墨复合材料，还涉及硅-天然石墨复合材料作为锂离子负极材料的应用，属于锂离子电池负极材料制备技术领域。

背景技术

湖南省微晶石墨储量巨大，但应用仍处于低端水平，难以达到国家战略要求。湖南省微晶石墨占全国微晶石墨储量的74.7％以上，主要分布在郴州(1处大型矿床，3处小型矿床，占全省查明石墨资源量的97.52％)和娄底的新化、冷水江(1处小型矿床，占2.48％)。目前开发的微晶石墨常用来制备耐火材料、导电材料、耐磨润滑材料和铸造增碳剂。

目前开发的微晶石墨常用来制备耐火材料、导电材料、耐磨润滑材料和铸造增碳剂，基本上应用在附加值偏低的传统消费领域。乔永民等(“锂离子电池微晶石墨复合材料的制备及电性能研究”，乔永民等，炭素技术，2018，37(05):34-36)将微晶石墨表面改性后应用于锂离子电池负极材料，张忠新等(“锂离子电池负极材料用晶质石墨活化提纯机”，张忠新等，科技风，2013(08):48.)在微晶石墨过程中使用酸活化微晶石墨表面从而提升微晶石墨的循环稳定性。刘洪波等(“沥青炭包覆微晶石墨用作锂离子电池负极材料的研究”，刘洪波等，功能材料，2013，44(19):2759-2763)探究了酚醛树脂以及沥青碳真空浸渍包覆工艺对碳包覆微晶石墨结构和电化学性能的影响。康飞宇等(“树脂碳包覆微晶石墨的制备及其电化学性能”，康飞宇等，电池，2003，33(5):15-18)采用树脂碳二次包覆微晶石墨，经过二次包覆处理的石墨首次循环效率从86.2％提升至89.9％，容量也稳定在340mAh/g，但相比于目前已大规模商业化的鳞片石墨和人造石墨还有一定差距。

将石墨与硅制成硅碳复合材料具有较好的电池性能。在现有技术中实现硅碳复合的材料主要有球磨法和化学气相沉积法，而球磨法得到的硅-碳复合材料中硅和基底的结合强度远高于化学气相沉积法制得的硅-碳复合材料。常规的化学气相沉积要借助Fe、Co、Ni、Cu等第四周期的过渡元素作为催化剂催化硅的沉积。因此，在进行化学气相沉积之前，需要在石墨基底中掺入金属类催化剂，但是沉积硅后需要除去过量的金属催化剂，不但工艺繁琐，而且金属类催化剂残留较高，从而影响锂离子电池的性能。

发明内容

针对现有的化学气相沉积制备硅碳复合材料过程中经常需要在碳材料基体中混入金属催化剂，从而导致的工序繁杂以及金属催化剂残留高而影响电池性能等诸多问题，本发明的第一个目的是在于提供一种利用具有微量无害杂质的天然微晶石墨作为基底催化化学气相沉积硅从而获得高性能硅-天然石墨复合材料的方法，该方法具有成本低，工艺简单，对设备要求低等优点。

本发明的第二个目的是在于提供一种硅和天然石墨结合紧密、机械强度高，结构稳定，电化学活性高的硅-天然石墨复合材料。

本发明的第三个目的是在于提供硅-天然石墨复合材料的应用，将其作为锂离子电池负极材料应用可以获得高循环稳定的锂离子电池。

本发明提供了一种微量无害杂质催化制备硅-天然石墨复合材料的方法，该方法包括以下步骤：

1)将含有微量无害杂质天然石墨经过干燥、球磨及过筛，得到天然石墨颗粒；

2)在天然石墨颗粒表面通过化学气相沉硅纳米纤维，得到硅-天然石墨复合材料；

3)在硅纳米纤维-天然石墨复合材料通过化学气相沉积生成无定形碳，即得。