[发明专利]一种锂电池SiOC@氮掺杂碳纤维复合负极及制备方法

说明书

本发明涉及锂电池负极材料技术领域，特别是涉及一种锂电池SiOC@氮掺杂碳纤维复合负极及制备方法，包括：S1、制备Al₂O₃/聚硅氧烷复合颗粒；S2、制备纺丝膜；S3、制备氮掺杂碳纤维/SiOC复合负极材料。本发明解决现有技术中SiOC负极材料工艺难度大的问题。上述SiOC@氮掺杂碳纤维复合负极通过氧化铝负载聚硅氧烷后，再与聚丙烯腈纺丝后进行烧结，可以一次成型为锂电池负极材料，相较于传统生产工艺，烧结工艺得到较大的简化。同时经过纺丝工艺制备的负极材料中，SiOC更多的镶嵌在碳纤维内部，可以有效提高SiOC的电导率和循环性能。

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料技术领域，特别是涉及一种锂电池SiOC@氮掺杂碳纤维复合负极及制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种新型的高能电池，已广泛应用于人们的日常生活中。负极材料作为锂电的主要组成部分，其性能的好坏直接影响锂电的性能。负极指电源中电位较低的一端。在原电池中，是指起氧化作用的电极，电池反应中写在左边。从物理角度来看，是电路中电子流出的一极。负极材料，则是指电池中构成负极的原料，目前常见的负极材料有碳负极材料、锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料、合金类负极材料和纳米级负极材料。

目前商品化的锂离子电池主要采用石墨类碳材料作为负极材料。但是随着锂离子电池作为动力电池在混合电动车和便携式电子设备的快速发展和应用，石墨类负极材料理论比容量较低的缺点越发地凸出。

硅基负极材料因具有高的理论容量（4200 mAh•g^-1）和较合适的脱-嵌锂电位（0.5V），成为最有希望的高容量负极材料。但是，硅材料在脱/嵌锂过程中，存在着较大的体积膨胀（体积膨胀100%~300%）。这种结构上的膨胀收缩变化破坏了电极结构的稳定性，导致硅颗粒破裂粉化，造成电极材料结构的坍塌和剥落，使电极材料失去电接触，最终导致负极的比容量迅速衰减，使锂电池循环性能变差。

SiOC一种多孔骨架结构，结构中还含有分散在骨架中的游离碳。SiOC是由C-Si-O键和C-C键构成的多孔骨架结构，同时包含分散在骨架中的游离碳。SiOC除了具有较高的振实密度外，还具有较高的导电性和热稳定性。聚合物衍生SiOC陶瓷作为负极材料具有明显的优势，如高可逆比容量、高充电率、合成简单、成本低廉、可设计的物理和化学性能等。虽然SiOC负极材料的可逆比容量明显高于石墨，但该材料的首次充放电产生的不可逆容量较高，使首次库仑效率较低；在随后的循环中，该材料表现出电压滞后，即脱锂比嵌锂需要更高的电压，这些缺点限制了SiOC负极材料的广泛应用。

中国发明专利CN102637864A提出一种锂离子电池复合负极材料的制备方法公开了采用原位还原法一步制备了插层式SiOC/石墨烯复合材料，通过掺杂石墨烯能有效改 善SiOC负极材料的电化学性能，但其首次不可逆容量高，循环稳定性还有待提高，且该方法使用的石墨烯用量大，成本较高，很难工业化推广。

专利CN107910554A提出一种锂离子电池用SiOC复合负极材料及其制备方法，本发明以木粉与固体聚硅氧烷制备得到多孔SiOC陶瓷粉体，然后与氧化石墨烯复合，再采用热还原法制备出多孔SiOC/石墨烯复合材料。然而通过气相的热还原获得氧化石墨烯非常困难，导致其工艺难度极大，难以适用于工业化生产。

专利CN104752691B提出一种锂离子电池用硅/碳复合负极材料及其制备方法，该材料由石墨骨架材料、中间缓冲层SiOC材料、碳纤维和表面包覆碳的含硅材料组成，并且表面包覆碳的含硅材料通过缓冲层SiOC和碳纤维与石墨骨架材料结合，然而其合成工艺较为复杂，需要反复多次烧结，而且各层间结合力相对较差，容易出现层间由于膨胀不均导致材料崩解的问题。

因此，SiOC负极材料的性能优化和工艺改进具有十分重要的实际意义。

发明内容