[发明专利]硅碳复合电极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种硅碳复合电极材料及其制备方法，包括：采用预处理溶液对基板进行预处理，获得表面带有电荷的导电基板；将导电聚合物静电吸附在硅材料表面，制备硅/导电聚合物粉体；将硅材料和碳材料混合，制备硅/碳复合粉体；将所述硅/导电聚合物粉体和所述硅/碳复合粉体分别分散到电性相反的聚电解质和/或无机盐溶液中，获得硅/导电聚合物浆料和硅/碳浆料；与所述导电基板表面的电性相反地于其上交替沉积所述硅/导电聚合物浆料和所述硅/碳浆料，经干燥后获得硅基复合膜；对所述硅基复合膜在惰性气氛保护下进行高温烧结，获得硅碳复合电极材料。通过上述制备方法，可以提高锂离子电池负极材料的循环稳定性和倍率性能。

技术领域

本发明涉及储能电池材料制备技术领域，尤其涉及一种硅碳复合电极材料及其制备方法。

背景技术

在全球能源形势日益严峻的背景下，以电化学储能电池作为动力源被认为是各类电子设备和电动交通运输工具的理想之选。锂离子电池因大功率、高容量、寿命长、高安全性成为当前最主要的能源存储设备之一。为了促进高能动力型锂离子电池更好的发展，迫切需要开发低成本、高能量密度的电极材料。硅碳复合材料由于兼具理论容量高达4200mAh·g^-1的硅和高导电碳材料，成为电池负极材料的最佳候选。然而，高硅含量的硅碳复合材料在充放电过程中会产生巨大的体积与结构变化，从而诱导锂离子电池负极裂缝与破碎，最后导致电池容量急剧衰减、库伦效率降低、使用寿命受限，使之商业化发展的进程变得十分缓慢。

一般来说，改善硅脱嵌锂时的体积效应主要包括以下三种策略：(1)采用模板法、气相沉积法或高温热解法等在纳米硅颗粒表面直接包覆碳层以适应硅材料体积变化。然而，这种策略不仅制备手段条件严苛、制备流程复杂，而且存在由于硅材料锂化过程中因其体积膨胀太大而涨破表面碳层的风险，使得复合材料结构坍塌、内部硅颗粒失去保护。(2)通过机械混合、静电纺丝将硅颗粒嵌入到碳材料中得到高度分散的硅碳混合体系。但考虑到均匀分散难度较大，而且硅含量较高时硅碳难以紧密接触，因此这种策略不易用来长时间缓解体积效应。(3)利用聚合反应得到导电聚合物包覆的硅材料，其链状结构的高分子聚合物具有较高的柔韧性，并能够良好地调节循环过程中硅材料的应力变化。但是，与传统的碳材料导电聚合物相比，这种方式的硅材料电子传输能力比较欠缺。解决上述问题的关键在于突破目前硅碳复合材料结构组成单一的缺陷。

为了改善活性物质的循环性能，中国专利CN105390687B公开了一种高性能三维碳纳米管复合负极材料及其制备方法和应用，通过以羧基化碳纳米管作为三维的网络骨架，以层层自组装改性后的高容量的材料为活性物质，通过静电引力的作用使碳纳米管与活性物质均匀的混合，然后通过原位包覆含杂元素N或S掺杂的碳源作为三维包覆层经由高温处理制备得到高性能三维碳纳米管复合负极材料。为了获得具有优异的电子传输性能和机械力学性能的电极材料，中国专利CN107204438B公开了一种硅碳复合材料及其制备方法和用途，将硅纳米材料、碳纳米材料及粘结剂分散于溶剂中形成浆料，制备得到碳硅复合宏观体；将得到的碳硅复合宏观体在非氧化气氛下进行热处理，制得所述碳硅复合材料。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种硅碳复合电极材料及其制备方法，解决了硅膨胀和硅碳两组分接触差等问题，从而提高锂离子电池负极材料的循环稳定性和倍率性能。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：