[发明专利]一种锂电池负极用高容量硅碳材料及制备方法

说明书

本发明提供了一种锂电池负极用高容量硅碳材料及制备方法，所述材料主要通过液相自组装方式制备，碳化后在材料内部形成具有导电网络的多孔结构，其中纳米硅分布在材料内部，与碳中间体材料均匀结合在一起，同时周围分布着均匀的导电剂，促进电子传输，材料外部包覆一层均匀修饰层，实现结构的密实与表面的均匀，起到缓冲内部材料膨胀，避免纳米硅与电解液接触提高材料稳定性的作用。本发明工艺新颖，制备的硅碳负极材料具有首效高、稳定性好等优势，适于工业化生产。

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种锂电池负极用高容量硅碳材料及制备方法。

背景技术

随着移动电子产品和新能源汽车行业的快速发展，市场对电池的能量密度提出更高的要求，国家政策也大力推进高能量密度电池的发展与应用。

新能源行业将在未来持续高速发展，为动力电池发展提供了重大机遇，同时也提出了更高的要求。负极材料对动力电池性能的提升起到了重要的作用，传统石墨负极的理论比容量低，已不能满足高能量密度锂离子电池的使用需求。硅材料理论容量高、脱嵌锂电位适宜、放点平台长、安全性好、自然丰度高，有望替代石墨成为下一代负极材料，具有广阔的应用前景。

硅材料应用过程中的主要问题是硅嵌锂后体积膨胀、固体电解质（SEI）持续生长不断消耗锂和电解液、极片粉化影响电池寿命；膨胀产生应力，极片挤压断裂等，尚没有完美的解决方案。为解决硅的体积膨胀问题，常用且有效的方式是与碳材料复合，利用碳良好的机械性能与导电性缓冲硅的体积变化，同时改善材料导电性，如何实现硅的有效包覆与结构控制是需要解决的关键问题。

CN103474667B公开了一种硅碳复合负极材料及其制备方法，材料由内至外依次包括纳米硅/石墨颗粒、第一碳包覆层和有机裂解碳层。内部的纳米硅/石墨颗粒由喷雾干燥将纳米硅均匀分散于石墨表面得到，然后进行化学气相沉积包覆碳纳米和/或无定形碳，在通过液相包覆法进行有机裂解碳二次包覆。两次包覆有利于在复合材料表面形成更加紧密的包覆层，但是气相沉积方式成本较高，生产效率低，同时使用喷雾造粒方式将纳米硅与石墨复合，纳米硅与石墨间的粘附力较差，多次循环后容易造成纳米硅的脱落，不利于稳定性的提升。

CN102244240B公开了一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法，采用两次喷雾干燥一次烧结处理制备而得，将有机碳源溶于适量溶剂中，加入硅源、分散剂和石墨碳，喷雾干燥后得到球形核材料，然后将球形核材料再次分散于有机碳源溶液中，进行二次喷雾干燥，然后进行烧结处理得到硅碳材料。两次喷雾干燥有利于在表面形成稳定的包覆层，但是内部硅与石墨间的结合力较弱，同时两次喷雾干燥增加了生产成本，降低了效率与产品产率。

发明内容

本发明提出了一种锂电池负极用高容量硅碳材料及制备方法，该制备方法得到的硅碳负极在具有首效高、稳定性和倍率性能好的优势，适用于动力电池负极，且工艺简单，具有产业化前景，为锂离子电池负极材料的技术改良和产品升级提供了技术参考。

实现本发明的技术方案是：

一种锂电池负极用高容量硅碳材料，所述硅碳材料通过液相氢键诱导自组装的方式形成，将纳米硅表面修饰后与碳材料中间体在液相条件下混合，在氢键诱导作用下形成硅碳前驱体材料，然后进行结构修饰制备得到硅碳材料。

所述硅碳也主要分为内外两层结构，其中纳米硅分布在材料内部，与基底碳中间体材料均匀结合在一起，同时周围分布着均匀的导电剂，在内部形成具有导电网络的高孔隙结构，促进电子/离子传输，同时外部包覆一层均匀结构增强碳层，实现结构的密实与表面的均匀，起到缓冲内部材料膨胀，避免纳米硅与电解液接触提高材料稳定性的作用。

材料主要由纳米硅与碳组成，纳米硅与碳的质量比为（0.2~2）：1：其中碳包括基底碳、导电性碳、添加剂碳等组成。

所述的锂电池负极用高容量硅碳材料的制备方法，包括以下步骤：