[发明专利]一种类石榴型硅基负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种类石榴型硅基负极材料及其制备方法，该材料为类石榴型结构。包括如下步骤：(1)将纳米氧化硅原料用浓硫酸和过氧化氢进行活化处理；（2）将三聚氰胺加入到离子水中，搅拌溶解，把氧化硅加入到溶液中超声分散，然后加热搅拌；（3）降低温度，使三聚氰胺在氧化硅表面析出，然后离心干燥，煅烧得到前驱体；(4)利用镁金属热还原法在氩气氛围中煅烧前驱体，进行原位复合，然后用酸浸泡，离心洗涤，得到类石榴型硅基负极材料。本发明采用金属热还原法制备的锂离子电池用类石榴型硅基负极材料，耗能低，成本小，周期短，利于工业化生产。同时，本发明充分利用了缺陷型氮化碳材料制备的类石榴型硅基负极材料，具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种类石榴型硅基负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有工作电压高、比能量大、放电平稳等优点，在便携式电子设备、电动汽车、航空等领域应用广泛。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，对锂离子电池的循环寿命、能量密度以及安全性能有着及其重要的影响。目前商业化所用的石墨类负极材料，克容量已经接近其极限值372mAh/g，不能满足目前电动汽车所用锂离子电池的使用要求，比如高功率密度、高的能量密度和更好的循环性能。因此开发高比容量负极材料已成为锂离子电池研究的一个重要方向。

硅能够与锂形成多种形态合金，理论储锂容量高达4200mAh/g，嵌锂电位较低(0.2V vs .Li/Li⁺)，且自然中储量丰富，是一种最有希望取代石墨的下一代锂离子电池负极材料。然而随着充放电循环的进行，硅的合金化和去合金化会引起巨大的体积膨胀(～300％)，进而会引起材料表面的固态电解质(SEI)膜不断地生成和破裂，不断地消耗活性锂，导致库伦效率的下降；同时还会造成硅粒破裂和粉化，导致硅颗粒间以及硅颗粒与集流体之间发生分离，进而失去电接触，致使容量衰减，循环性能急剧下降。因此，改善硅基负极材料循环性能是研究热点。

目前，比较实用是的碳包覆手段，比如：气相包覆、液相包覆和固相包覆，能有效改善硅基负极材料的循环性能。但无论采取哪一种碳包覆手段，其碳的来源属物理改性范畴，又因碳层的强度有限，在长期循环过程中仍有大概率破损的风险，导致硅基负极材料的循环性能较一般。虽然又出现了一些氧化物，但氧化物的离子导电率一般，且充放电过程中形成的锂化产物不可控。

综上所述，开发一种易于获得、性能优异的类石榴型硅基复合负极材料十分必要。

发明内容

本发明的目的是针对锂电子电池负极材料体积膨胀循环性能差的问题，提供一种类石榴型硅基负极材料及其制备方法。该负极材料由纳米硅颗粒和缺陷型材料组成，通过将纳米硅与缺陷型材料复合，可有效提高硅基材料的电化学性能。

本发明还提供了一种类石榴型硅基负极材料的制备方法，通过简单的金属热还原法原位复合得到纳米氧化硅/缺陷型材料复合材料。利用缺陷型材料的物理和化学特性，提高硅基负极的电化学性能。

本发明的目的可以通过以下方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种类石榴型硅基负极材料，所述硅基负极材料由纳米硅颗粒和缺陷型材料组成。

所述负极材料呈类石榴型，具有多空腔结构，硅颗粒位于空腔中。在本发明中，通过结构设计，负极材料具有丰富的空腔结构，原位复合后硅颗粒于空腔中，既避免了硅颗粒与电解液的直接接触，又缓解了体积膨胀。同时，也把硅颗粒锚定在空腔中，不会随着循环的进行导致破裂脱离。而如果只是通过搅拌和复合，形成了一种简单的混合结构负极，在循环过程中颗粒的整体膨胀无法得到抑制，并且多层的包覆结构，对离子的传输迁移是不利的。

作为本发明的一个实施方案，所述纳米硅颗粒的尺寸为 50～150nm。过小的颗粒表面能过大，容易产生团聚现象，不利于在溶液中分散。纳米硅颗粒的尺寸优选为 50nm～100nm。

作为本发明的一个实施方案，所述缺陷型材料选自还原性氮化碳。