[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种硅碳复合材料及其制备方法与应用。本发明公开了一种硅碳复合材料的制备方法，该制备方法中有机硅单体在引发在引发剂的作用下生成聚合物，碳源通过交联包裹在聚合物表面，形成碳包覆硅复合材料的前驱体，再经碳化、还原反应，形成碳包覆单质晶体硅结构的复合材料，最后经酸刻蚀，除去副产物的同时形成多孔结构。本发明首次利用有机硅单体作为硅碳复合材料的原料，可以通过调节乳化剂的用量来调节聚合物的尺寸，使得硅碳复合材料的大小易于控制。本发明提供的硅碳复合材料的制备方法操作简单。

技术领域

本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种硅碳复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池以其长循环性能、高功率、安全以及低成本等特性逐步取代了传统的电化学二次电池体系如铅酸和镍镉电池技术，成为现代设备最重要的动力源。因为具有高输出电压、优良的能量和功率密度以及长效的循环稳定性等优势，锂离子电池已经广泛应用于便携的电子设备产品领域，例如，移动电话、笔记本电脑、数码相机和混合电动汽车等。但是随着智能手机、笔记本电脑功能逐渐的增多，其耗电量也与日俱增。商业化的锂离子电池已经不能满足日益增长的便携式电子器件、未来的电动汽车以及能源存储构想对于电池能量密度、运行稳定性、系统集成的要求。

负极材料作为锂离子电池的关键组成部分，其性能的好坏直接决定了锂离子电池性能的优劣。目前，商业化锂离子电池普遍使用碳材料作为负极材料，天然石墨凭借其低成本以及良好性能逐步取代了硬碳和人造石墨成为了主流商用锂离子负极材料。但是石墨的低容量(理论容量372mAh/g)已不能满足锂离子电池对高功率和能量密度的要求。而硅因为其具有理论容量大、放电电压低、成本低等优点，是取代石墨最有前途的材料之一。然而，硅材料除了以上所表现出来的令人满意的优势之外，该材料仍然存在很多急需要解决的问题，如导电性差，在循环过程中体积变化很大，导致循环稳定性差。而设计硅材料表面包覆可以提高导电性，减少副反应，缓解体积膨胀。目前常采用水溶液法制备碳包覆硅材料，但制得到碳包覆硅球大小形貌不均匀，不易受控制。

发明内容

本发明提供了一种硅碳复合材料及其制备方法与应用，解决了水溶液法制得的碳包覆硅球大小形貌不均匀的问题。

其具体技术方案如下：

本发明提供了一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将有机硅单体、乳化剂、引发剂和溶剂混合，在水浴条件下进行聚合反应，得到聚合物；

步骤2：将所述聚合物与碳源混合，所述碳源在所述聚合物表面发生聚合反应，得到前驱体；

步骤3：将所述前驱体依次进行碳化、还原和酸刻蚀后，得到硅碳复合材料。

本发明首次采用乳液聚合的方法制备碳包覆硅复合材料，有机硅单体在引发在引发剂的作用下生成聚合物，碳源通过交联包裹在聚合物表面，形成碳包覆硅复合材料的前驱体，再经碳化、还原反应，形成碳包覆单质晶体硅结构的复合材料，最后经酸刻蚀，除去副产物的同时形成多孔结构。本发明通过乳化剂的用量控制球状聚合物的大小，从而制备出来的球状硅碳复合材料形貌规整，均一。

本发明步骤1中，所述有机硅单体为甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷。甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷经聚合反应，得到聚甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷，呈双连续网状结构。

所述乳化剂选自十二烷基硫酸钠或十四烷基硫酸钠，优选为十二烷基硫酸钠；

所述引发剂选自过硫酸钠或过硫酸钾，优选为过硫酸钾；

所述溶剂为去离子水；

所述有机硅单体和所述乳化剂的质量比为1000：(1～5)，优选为1000：(1～4)；

所述乳化剂和所述引发剂的质量比为(1:20)～(1:80)，优选为(1:20)～(1:50)；