[发明专利]一种锂离子电池用硅碳负极材料及锂离子电池

说明书

本发明提出了一种锂离子电池用硅碳负极材料，其包括：首先采用酸或者碱化合物对硅粉进行表面处理后，再进行高温处理，得到表面羟基化的硅粉；接着将表面羟基化的硅粉与含羟基的聚酰亚胺进行混合，得到聚酰亚胺包覆硅粉的复合材料；最后将聚酰亚胺包覆硅粉的复合材料进行碳化处理，即得到所述锂离子电池用硅碳负极材料。本发明所述硅碳负极材料可以同时具备硅类材料的高储锂特性和碳类材料的高循环稳定性，并且有效抑制了硅负极的体积膨胀，比容量高，循环寿命长。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池用硅碳负极材料及锂离子电池。

背景技术

现有的二次电池体系中，无论从发展空间，还是从寿命、比能量、工作电压和自放电率等技术指标来看，锂离子电池都是当前最有竞争力的二次电池。随着电子科技的不断发展，对锂离子电池也提出了更高的要求，需要更高的能量密度、更好的循环寿命、更好的高低温充放电性能和安全性能等，这就要求锂离子电池用正极、负极材料需要得到进一步地发展与完善。

在负极材料方面，由于传统的商业化石墨的理论比容量为372mAh·g^-1，已经很难满足高比能锂离子电池的需求，因此开发高比容量的负极材料刻不容缓。硅负极材料的理论储锂比容量高达4200·mAh·g^-1，是商业化石墨负极的10倍，脱/嵌锂电位低(0-0.45V)与石墨的电压平台最为接近，放电平台长且稳定，并被认为是商业化石墨最具前景的替代材料。

不过，硅的电子电导率和离子电导率较低，导致其电化学反应的动力学性能较差；普通纯硅的循环稳定性较差。而且硅在锂化过程中的相变和体积膨胀会产生较大的应力，致使电极断裂粉化、电阻增大、循环性能骤降。

目前针对硅负极材料的研究主要是将硅粉与碳源材料进行球磨混合后热解，以制备硅-碳复合材料，以缓解电池充放电过程中的体积膨胀现象，提高硅基材料的循环性能。但这种方法所获得的硅基负极材料稳定性较差，对于改善充放电时硅的体积膨胀现象并不明显。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种锂离子电池用硅碳负极材料及锂离子电池，该硅碳负极材料可以同时具备硅类材料的高储锂特性和碳类材料的高循环稳定性，并且有效抑制了硅负极的体积膨胀，比容量高，循环寿命长。

本发明提出的一种锂离子电池用硅碳负极材料，采用下述步骤制备得到：

S1、采用酸或者碱化合物对硅粉进行表面处理后，再进行高温处理，得到表面羟基化的硅粉；

S2、将表面羟基化的硅粉与含羟基的聚酰亚胺进行混合，得到聚酰亚胺包覆硅粉的复合材料；

S3、将聚酰亚胺包覆硅粉的复合材料进行碳化处理，即得到所述锂离子电池用硅碳负极材料。

优选地，所述硅粉的平均粒径为50-500nm；所述酸化合物为氢氟酸；所述碱化合物为氢氧化钠或者氢氧化钾。

优选地，所述高温处理的温度为400-600℃，时间为1-30min。

优选地，所述含羟基的聚酰亚胺是通过将四羧酸二酐的二酐单体与含酚羟基二胺的二胺单体进行缩聚得到。

优选地，所述四羧酸二酐为3，3'，4，4'-联苯四羧酸二酐、4，4'-氧双邻苯二甲酸二酐、3，3'，4，4'-二苯甲酮四甲酸二酐、1，2，4，5-环己烷四甲酸二酐、1，2，3，4-环戊烷四羧酸二酐或1，2，3，4-环丁烷四羧酸二酐中的至少一种；所述含酚羟基二胺为3，3'-二羟基联苯胺；

优选地，所述二胺单体还包括4，4'-二氨基二苯基醚、4，4'-二氨基二苯基硫醚、4，4'-二氨基二苯甲酮或4，4'-二氨基二苯基甲烷中的至少一种。

优选地，所述表面羟基化的硅粉与含羟基的聚酰亚胺的质量比为1:1-20。