[发明专利]一种铜纳米线缠绕硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种铜纳米线缠绕硅碳复合材料及其制备方法和应用，属于电极材料技术领域。本发明提供的铜纳米线缠绕硅碳复合材料，包括碳包硅颗粒和缠绕在所述碳包硅颗粒表面的铜纳米线；所述碳包硅颗粒包括硅和包覆在所述硅表面的碳层；所述碳层中分散有铜纳米颗粒。本发明提供的铜纳米线缠绕硅碳复合材料的颗粒粒径均匀，铜纳米颗粒在碳层中分散均匀性好，纯度高，碳层对于硅的包覆完整均匀，铜纳米线在碳包硅颗粒表面分布均匀，复合材料中硅内部的导电子性能优异，解决了硅的体积膨胀问题，大大提高了复合材料与集流体间的导电子性，有效提升电化学性能。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，具体涉及一种铜纳米线缠绕硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

石墨或石墨化碳作为现有商业化锂离子电池的负极材料得到了广泛的应用。目前，碳负极材料的实际应用容量已达到了350mAh/g，接近LiC₆的理论值(372mAh/g)。锂离子电池负极材料未来将向着高比容量、高充放电效率、高循环性能和较低成本的方向发展，因此，石墨材料将无法满足未来锂离子电池在电动汽车行业和储能领域的高比容量应用需求。

硅的理论锂容量最高可以达到4200mAh/g(对应Li_4.4Si)，是石墨材料 (理论容量372mAh/g)的十倍多，也远高于其他金属氧化物负极材料。而常温条件下，Si嵌锂后形成的最高成分为Li1₅Si₄(Li_3.75Si)，其理论锂容量也高达3579mAh/g。而且硅的嵌锂电位约为0.5V(vs.Li/Li⁺)，高于石墨负极材料(0.2Vvs.Li/Li⁺)，所以在充放电过程中硅表面不容易析锂，从而提高电池的安全性。而且，由于硅在地壳中含量丰富、低成本、无毒、且具有稳定的化学性质。因此，硅是一种理想的锂离子电池负极材料，具有很好前景。

然而，Si在嵌锂和脱锂的过程中，将会产生巨大的体积变化(例如Li₁₅Si₄对应的体积变化为266％)。巨大的体积变化导致的不利影响：(1)巨大的体积变化会导致活性材料与集电层之间的导电网络发生粉碎，从而导致锂离子电池循环性能的快速下降；而且锂离子嵌入后的大弹性应变也明显减缓了锂化合物形成的动力学过程；(2)Li⁺嵌入引起的变形产生应力而导致电极产生裂纹或形态变化，当Si无法承受时，由此产生的应力裂纹因脆性导致硅材料从电极上脱落，从而破坏负极导电网络，导致部分活性物质无法参与反应，从而导致含有Si材料的负极的可逆容量快速衰降；(3)当负极电位低于1V(vs.Li/Li⁺)时，电极表面的有机电解质会发生分解，分解产物在电极材料表面形成一层称为“固体电解质界面”(简称为SEI膜)。在脱嵌锂的过程中，为了防止发生进一步的副化学反应，该SEI膜需要致密和稳定，它应该是电子绝缘的但Li离子可以自由穿透。SEI膜主要由Li₂CO₃、各种锂烷基碳酸盐(ROOCO₂Li)、LiF、Li₂O和非导电聚合物组成。硅与液体电解质界面的SEI稳定性是获得长循环寿命的关键因素。然而，硅脱嵌锂产生的大体积变化使得形成一个稳定的SEI非常具有挑战性。锂离子电池硅负极在嵌锂的过程中生成的SEI膜，在脱锂过程中由于发生巨大的体积收缩而使 SEI膜遭到破坏，这将使新的Si表面重新暴露在电解液中，并再次形成SEI 膜，在锂电池充放电循环过程中，硅负极材料的这种大体积变化将使SEI膜变得越来越厚，会消耗越来越多的锂源，从而加速了硅负极塌陷和容量衰减。