[发明专利]一种高稳定性硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池

说明书

本发明涉及一种高稳定性硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池，属于锂电池技术领域。本发明的高稳定性硅碳复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：1)将硅烷偶联剂、纳米硅材料在溶剂中混合均匀，然后加入石墨烯，混合均匀，得到混合液A；2)向混合液A中加入酚类化合物溶液、醛类化合物溶液，混合均匀，然后通入氯气，在温度50‑100℃下反应1‑24h，固液分离，干燥得到复合材料；3)将步骤2)制得的复合材料在二氧化硫和氩气的混合气体气氛中，保温1‑48h，然后降温，即得。本发明的高稳定性硅碳复合负极材料通过酚醛缩合聚合反应在纳米硅表面形成的无定形碳，使负极材料结构稳定、各向同性好、导电率高。

技术领域

本发明涉及一种高稳定性硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池，属于锂电池技术领域。

背景技术

目前的锂离子电池的负极材料大多采用石墨材料或石墨化材料，石墨化材料为中间相碳微球、中间相碳纤维等，这些负极材料相对较为稳定，但是其比容量仍然相对较低。

硅具有较大的理论比容量(4200mAh/g)，比石墨类负极材料的比容量(372mAh/g)高一个数量级，硅还具有较低的嵌锂电位(0.4V vs Li/Li⁺)，与石墨类负极材料相比具有明显的优势。

然而，硅在与锂的合金化反应过程中，硅材料会产生剧烈的体积膨胀(体积变化率达到300％)，容易导致活性材料在循环过程中发生结构破坏和粉化脱落，同时也会使得硅材料在电解液中无法形成稳定的表面固体电解质膜(SEI膜)，电极结构被破坏后新暴露出的硅表面会再次形成新的SEI膜，从而导致充放电效率降低，容量衰减加快。另外，硅的本征电导率低，制约锂离子迁移速率，导致材料倍率性能差。

目前针对硅负极材料的改进主要是将硅与碳源材料进行复合，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。目前制备硅碳材料的制备方法主要采用固相法、液相法及气相沉积法，这些方法制得的硅碳复合材料中，硅与碳之间的接触主要是通过材料之间的范德华力或较大的比表面积吸附在一起，硅与碳材料在长期循环过程中硅的膨胀容易造成硅与碳之间的剥离，材料稳定性差，造成循环性能严重恶化。

发明内容

本发明的目的是提供一种高稳定性硅碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池，以解决现有技术中存在的硅碳负极材料稳定性低的问题。

为了实现以上目的，本发明的高能量密度快充石墨复合负极材料所采用的技术方案是：

一种高稳定性硅碳复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将硅烷偶联剂、纳米硅材料在溶剂中混合均匀，然后加入石墨烯，混合均匀，得到混合液A；

2)向混合液A中加入酚类化合物溶液、醛类化合物溶液，混合均匀，然后通入氯气，在温度50-100℃下反应1-24h，固液分离，干燥得到复合材料；

酚类化合物为苯酚、4-硝基苯酚、2-氯苯酚、2-硝基苯酚、对苯二酚中的至少一种；

醛类化合物溶液为甲醛、乙醛中的至少一种；

3)将步骤2)制得的复合材料在二氧化硫和氩气的混合气体气氛中，在700-1050℃保温1-48h，然后降温，即得。

步骤2)中干燥可以采取除去滤液后喷雾干燥。

优选的，步骤1)中加入石墨烯是加入石墨烯液。石墨烯液是将石墨烯与水混合均匀得到。石墨烯液的质量分数为0.1-1％。

优选的，步骤1)中硅烷偶联剂、纳米硅材料、石墨烯的质量比为(1～10):100:(0.5～5)。