[发明专利]一种硅-碳-钴复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种硅‑碳‑钴复合材料及其制备方法和应用，所述硅‑碳‑钴复合材料含有硅‑碳‑钴三元材料颗粒，所述硅‑碳‑钴三元材料颗粒相互之间构成三维多孔网络状结构；所述的硅‑碳‑钴复合材料的制备方法，包括将硅化镁粉末、草酸钴粉末混合后在惰性气体气氛下进行热处理；对所得产物进行酸洗处理，酸洗后经后处理得到所述硅‑碳‑钴复合材料;所述的硅‑碳‑钴复合材料在可充电电池负极材料中的应用。本发明工艺简单，利用一次固相反应和简单酸洗直接制得成品，具有很大的操作性。该复合材料作为锂离子电池负极材料时倍率性能优异，可以作为一种潜在的功率型锂离子电池负极材料的解决方案。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种硅-碳-钴复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池，简称锂电池，是一种高能量密度的可充电电池。锂电池的充电和放电循环是通过锂离子在正负极材料间不断嵌入和脱出来实现的，锂电池凭借其单位能量密度高，充电速度快，安全循环性能优良，使得其广泛的应用于现代生活和生产的许多方面。

锂离子电池自问世以来，由于研究者们的努力，发现了非常多种类的适合作为锂离子电池负极的材料，然而，由于各方面原因，真正成功实现大规模产业化应用的主要是以石墨为基础的碳材料。石墨等碳材料作为锂离子电池负极材料，有着来源广泛，成本低廉，循环性能稳定等优点，但是由于其理论比容量较低（约372mAh/g），使得其越来越难以满足现代电子产品和电动汽车等领域对高能量密度电池的要求。所以，越来越多的研究者们将目光投向以硅材料为代表的高能量密度锂离子电池负极材料。

硅，在所有锂离子电池负极材料中，具有最高的理论比容量（约4200mAh/g），但是，其在锂离子不断的嵌入和脱出过程中，会发生巨大体积膨胀（理论上可达到300%）和收缩，这使得粘结在集流体表面的活性物质很容易破裂甚至粉碎，直到与电极失去电接触，造成容量完全损失。此外，硅的导电性一般，其传输电荷的效率不高，使得整个电池的电传输效率较低，影响电池的倍率性能。

当前锂电池的应用场景有很大一部分用在需要快充的手机电池，电动汽车和高倍率放电的电动工具类产品上，必然对电池的高倍率性能提出了很高的要求，而硅基材料导电性能不好的劣势也会影响电池的倍率性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅-碳-钴复合材料及其制备方法和应用，以解决现有技术中存在的问题。为了实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种硅-碳-钴复合材料，其特征在于，所述硅-碳-钴复合材料含有硅-碳-钴三元材料颗粒，所述硅-碳-钴三元材料颗粒相互之间构成三维多孔网络状结构；所述硅-碳-钴三元材料颗粒以多孔硅为骨架，在多孔硅骨架外包覆有碳覆盖层，在碳覆盖层和多孔硅之间分布有多个钴颗粒。

作为优选方案之一，所述硅-碳-钴复合材料颗粒的粒径为1～10μm；所述碳覆盖层的厚度为 5～20 nm；所述钴颗粒的粒径为 100～500 nm；以硅-碳-钴复合材料的总重量计，所述硅-碳-钴复合材料中的所述碳材料含量为15%-20%，所述钴材料含量为40%-45%，所述硅材料含量为40%-45%。

一种硅-碳-钴复合材料的制备方法，包括：1）将硅化镁粉末、草酸钴粉末混合后在惰性气体气氛下进行热处理；2）对步骤（1）所得产物进行酸洗处理，酸洗后经后处理得到所述硅-碳-钴复合材料。

作为优选方案之一，所述硅化镁粉末、草酸钴粉末的重量比为1：1～ 5。

作为优选方案之一，所述步骤（1）中所述惰性气体为氮气、氩气中的任一种。

作为优选方案之一，所述步骤（1）中热处理的温度为600～800℃，热处理时间为5～10h。

作为优选方案之一，所述步骤（2）中所述酸洗处理为在盐酸溶液酸洗处理2～10h，盐酸浓度为1～5摩尔/升。

作为优选方案之一，所述步骤（2）中的后处理包括水洗、离心、干燥。