[发明专利]一种超细纳米硅/碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种超细纳米硅/碳复合材料的及其制备方法和应用，属于锂电池负极材料制备技术领域。本发明采用分段焙烧的方法，基于超细纳米硅基浆料、高温石油沥青和聚乙烯吡咯烷酮制备出了超细纳米硅/碳复合材料，且该材料具有优异的电性能，其中，采用电子束蒸发结合破碎工艺制备超细纳米硅基浆料。本发明解决了超细纳米硅/碳复合材料制备过程中，纳米硅基材料如纳米Si和纳米SiOx粒度偏大、氧化问题不易控制，且分散不均匀的问题，由此制得的超细纳米硅/碳复合材料，具有低膨胀性和高循环稳定性，因此能够应用于作为电池硅基复合负极材料。

技术领域

本发明属于锂电池负极材料制备技术领域，尤其涉及一种超细纳米硅/碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着新能源锂电技术的发展，对锂电池能量密度提出了很高的要求。围绕能量密度的提升，目前发展的方向主要包括两个，一方面从电池包结构方面进行改进，比如比亚迪的刀片电池，宁德时代的CPT。另一方面从电芯材料体系方面寻求突破，研究具有更高克容量的材料。正负极材料是提升锂离子电池能量密度的关键，虽然正极材料在电池中占据核心地位，但与之匹配的石墨类负极材料的理论克容量为372mAh/g成为其能量进一步提升的限制条件，硅基复合材料具有较高的比容量及较低的脱嵌锂电位，被认为是最具潜力的新一代锂电池负极材料。

在硅基负极材料中，将硅基材料纳米化并与碳材料进行复合有利于抑制硅基材料在脱嵌锂过程中的体积膨胀，增强导电性，提高锂电池的循环性能，通常工业制备纳米Si、SiO，一般采用硅锭、氧化亚硅锭机械破碎，气流粉碎，结合湿法砂磨工艺将硅基材料研磨至100nm左右，很难进一步将其粒度减小至100nm以下，同时过长的砂磨时间也会进一步造成纳米硅基材料的氧化。其他制备技术如感应等离子体法、气相裂解法，虽然可以降低纳米硅基材料粒度，但是纳米材料共生和团聚较为严重，由此制得的纳米硅基材料/碳材料的复合材料中，往往存在团聚纳米颗粒的问题，因此该复合材料在后续电池负极材料使用中往往存在极易膨胀且循环性能差的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超细纳米硅/碳复合材料及其制备方法和应用。本发明解决了硅碳复合材料制备过程中，纳米硅基颗粒与碳基材料分散不均且易团聚的问题，能够有效降低所得超细纳米硅/碳复合材料的材料膨胀，提高其循环稳定性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种超细纳米硅/碳复合材料的制备方法，采用超细纳米硅基浆料、高温石油沥青和聚乙烯吡咯烷酮均匀混合后，得到混合料，用乙醇稀释所得混合料得到混合浆料，所得混合浆料经喷雾造粒得到黑色粉末；将所得黑色粉末经高温煅烧后与高温石油沥青混合均匀，得到混合物；惰性气氛中，将所得混合物经低温焙烧，得到固体产物，再将所得固体产物破碎后经高温焙烧，再经粉碎过筛得到超细纳米硅/碳复合材料。

优选地，所述超细纳米硅基浆料的制备方法包括：

1)以硅基材料和有机聚合物作为蒸发料，以石英玻璃为衬底，采用电子束蒸发系统，在衬底上交替蒸镀硅基材料和用于脱离层材料的有机聚合物，在衬底上制得硅基材料/有机聚合物的周期叠层薄膜；其中，调节电子束蒸发功率和叠层周期数，得到不同厚度和层数的硅基材料/有机聚合物的周期叠层薄膜；

2)先采用超声处理，将所得硅基/有机聚合物的周期叠层薄膜破碎分散于酒精中，得到混合浆料，将所得混合浆料稀释配制成研磨浆料，将所得研磨浆料进行湿法研磨，得到超细纳米硅基浆料。

进一步优选地，步骤1)中，硅基材料为本征Si、掺杂的n型Si颗粒、p型Si颗粒或SiO颗粒，有机聚合物为聚乙烯基乙醇、聚乙烯氧化物、甲基丙基羟基纤维素或丙烯酸树脂。

进一步优选地，步骤1)中，所得硅基材料/有机聚合物的周期叠层薄膜中，硅基材料的层厚度为10～100nm，有机聚合物的层厚度为10～30nm，所得硅基材料/有机脱离层的周期叠层薄膜的厚度为4～400μm；