[发明专利]一种海胆状硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于储能电极技术领域，提供了一种海胆状硅碳复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的海胆状硅碳复合材料中，导电纳米材料一端结合在有机碳笼上，另一端自由存在于有机碳笼的外侧，形成了具有海胆状的硅碳复合材料。杂化碳笼中导电纳米材料的存在，促进了电子传输；将海胆状硅碳复合材料用于锂离子电池时，提高了锂离子电池的快速充放电性能。实施例的数据表明：实施例3所得海胆状硅碳复合材料在8A/g的电流密度下，比容量为915mAh/g；循环500次后，容量保持率可达90％。

技术领域

本发明涉及储能电极技术领域，尤其涉及一种海胆状硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

硅作为一种可选择的二次电池负极活性材料-尤其是锂离子电池，相对于石墨具有更高的容量。然而，硅材料具有体积膨胀效应，即在充放电过程中伴有巨大的体积变化(300％左右)。硅材料的体积膨胀效应产生的机械应力会导致含硅材料的活性材料的粉化和结构崩塌，进而导致含硅材料的活性材料之间以及含硅材料的活性材料与集流体之间的脱离，从而造成锂离子电池的容量迅速衰减和电池循环性能降低。同时，由于硅材料的体积膨胀效应，使硅材料与电解液接触的界面难以形成稳定的固体电解质界面SEI膜，导致含硅材料的活性材料的耗损和充放电效率降低，进一步加速锂离子电池循环性能的恶化。另外，硅材料作为一种半导体，本征电导率低，在一定程度上限制了硅电极材料的大倍率充放电性能。

为了解决上面提及的硅材料的问题，将硅材料纳米结构化或多孔化，进而与碳纳米材料结合构筑纳米复合材料可以在一定程度上解决硅材料在充放电过程中由于体积膨胀效应引起的结构及表界面不稳定性问题。同时，高导电性的碳纳米材料改善了硅材料本征电导率低的缺陷，形成的硅碳复合材料，具有稳定的电极/电解液界面，改善了单纯硅材料的充放电、循环、快速充放电性能。

然而，目前的硅碳复合材料是通过机械方法使得硅碳进行简单的复合，形成的硅碳复合材料仅在一定程度上缓解了界面稳定性问题；同时，形成的硅碳复合材料之间是点对点接触，在一定程度上限制了电子的传输，限制了电池的快速充放电性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种海胆状硅碳复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的海胆状硅碳复合材料促进了电子传输，提高了锂离子电池的快速充放电性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种海胆状硅碳复合材料，包括硅纳米材料及包裹所述硅纳米材料的杂化碳笼；

所述杂化碳笼包括有机碳笼和掺杂在所述有机碳笼上的导电纳米材料。

优选地，所述海胆状硅碳复合材料中硅纳米材料的质量含量为5～99％。

本发明还提供了上述技术方案所述的海胆状硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将硅纳米材料、杂化碳笼材料和溶剂混合，得到分散液；

将所述分散液进行喷雾干燥，得到硅碳前驱体；

将所述硅碳前驱体进行退火，得到所述海胆状硅碳复合材料。

优选地，所述杂化碳笼材料包括二茂铁、葡萄糖、蔗糖、果糖、麦芽糖、壳聚糖、柠檬酸、尿素、抗坏血酸、淀粉、蛋白质、明胶、阿拉伯胶、海藻酸盐、纤维素、酚醛树脂、聚偏二氟乙烯、聚氨基酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚碳酯、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚丙烯酸树脂、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚乳酸、聚苯乙烯、石墨烯类材料、碳纤维、碳纳米管、碳量子点和石墨中的至少两种。

优选地，所述石墨烯类材料包括石墨烯、氧化石墨烯和掺杂石墨烯中的一种或多种。

优选地，所述硅纳米材料包括纳米硅。

优选地，所述硅纳米材料和杂化碳笼材料的质量比为(20～30)：(70～80)。