[发明专利]一种硅碳复合负极材料及其制作方法

说明书

本发明公开了一种硅碳复合负极材料及其制作方法，硅碳复合负极材料包含碳层包覆的纳米硅颗粒和微米级球型石墨颗粒。碳层包覆的纳米硅颗粒大小为2‑5nm，颗粒尺寸小可缓解硅体积膨胀。包覆在纳米硅颗粒表面的碳层厚度仅为1‑3nm，可避免纳米硅的团聚。主体球形石墨颗粒的间隙为复合纳米硅提供膨胀空间。以该复合硅碳负极材料制备的锂离子电池不仅能量密度高，且循环性能得到了极大改善，具有优异的导电性能。锂电子电池的首次效率高，质量比容量高，循环稳定性好，使用寿命长。各项性能可以满足其工业化生产需求，适合产业化应用。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料，特别提供了一种锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是现代生活中常用的能源存储与转换装置。如今，随着可再生能源及电动汽车的发展，对锂离子电池的能量密度提出了越来越高的要求，现市场主要应用的石墨类负极材料(理论比容量只有372mAh/g)对于锂离子电池能量密度的提升已达瓶颈，再想提升其空间已很难实现。为了提高锂离子电池的能量密度，需要开发高容量和寿命长的负极材料，而硅的理论储锂比容量4200mAh/g，比传统石墨(理论质量比容量372mAh/g)负极的10倍还要多。在所有能够合金化储锂的元素中，硅的比容量是最高的，硅的超高理论比容量，使其能成为下一代高性能锂离子电池负极材料最有竞争力的候选材料之一。

此外，硅元素在地壳中的储量非常丰富，其本身也没有毒性，对环境比较友好，这些都使得硅负极材料相比于其他竞争者来说更有优势。但是正因为硅负极超高的储锂容量，使得它在充放电过程中会伴随着接近300％的巨大体积变化。这种体积变化对材料来说是致命的，反复的巨大体积变化会使材料产生疲劳，严重影响其机械强度，最终导致电极材料碎裂、粉化、脱落，与集流体失去良好的电接触，使很大一部分电极材料没法继续可逆地参与到电池充放电过程中去，电池容量快速衰减。这个问题成了硅负极材料商业化应用进程中的一块绊脚石。为了解决这个问题，众多的学者已经给出了许多不同的方案。一部分学者提出，把硅材料的尺寸控制在纳米级别，将硅颗粒纳米化，纳米化后锂离子(Li⁺)在电极材料中的扩散距离大大缩短，但是，纳米硅颗粒表能较高，容易发生二次团聚，最终导致容量快速衰减，仅降低材料粒径是难以制备出电性能优异的硅负极材料。此外，还有学者提出，优化硅纳米粒子的结构，提高电化学反应动力学，例如选择硅纳米线、硅纳米管或介孔硅等，多孔硅材料内部富含孔洞而大大缓解了胀缩的应力，不过合成介孔硅或网状结构硅粉的方法成本较高且合成条件苛刻。上述这些方案都无法从根本上解决硅膨胀问题。

碳材料作为负极材料比容量小，不仅具有一定的电化学活性，结构也较稳定，可以作为硅电极的“缓冲基体”。碳质负极材料在充放电过程中体积变化相对较小，而且是电子的良导体，因此被选作分散硅颗粒的分散载体。另外硅与碳的化学性质相近，能紧密结合。硅颗粒若能在碳材料中呈纳米分散，碳材料本身所具有的结构和呈纳米分散的硅颗粒间的空隙均可为锂离子提供大量的通道，增加锂离子的嵌入位置。碳硅复合可以达到改善硅体积效应，提高其电化学稳定性的目的。

因此，结合硅和碳两者的性能有可能制备出具有高容量和优良循环性能的硅-碳复合负极材料，利用复合材料各组分间的协同效应，达到优势互补的目的。目前研究发现，将石墨烯跟纳米硅粉直接混合合成复合负极材料，所得材料展示出较好的循环性能，循环30次比容量还能保持1600mAh/g，但依旧缓慢衰减。因此，开发一种工艺简单、稳定、比容量高且能有效抑制硅的体积效应的制备工艺，是制备高容量硅基负极材料、制备高容量锂离子电池领域要解决的难题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种硅碳复合负极材料及其制作方法，该材料具有超高比容量，而且对硅材料的体积膨胀问题进行控制，化学性能良好，使用寿命长，适合产业化应用。

本发明的目的通过以下技术方法实现的，一种硅碳复合负极材料，所述硅碳复合负极材料包含碳包覆的纳米硅颗粒、微米级的球型石墨颗粒、粘合剂和导电剂。

所述碳包覆的纳米硅颗粒，纳米硅颗粒大小在2-5nm，包覆在纳米硅外层的碳层厚度在1-3nm。