[发明专利]一种三维包覆硅基负极材料及其制备方法

说明书

一种三维包覆硅基负极材料，负极材料以氧化亚硅为基质，氧化亚硅上依次包覆有硅酸锂包覆层和碳包覆层，碳包覆层外侧负载有碳颗粒和碳纳米管，碳纳米管从碳包覆层穿插出来，形成三维立体的包覆结构。制备方法，包括以下步骤：(1)将氧化亚硅原料还原；(2)将氧化亚硅与锂源混合，高温处理；(3)通过有机气体，气相沉积法处理，表面包覆碳层；(4)分别通入甲烷、乙烯、乙炔/乙烯混合气体进行反应，冷却过筛，得到三维包覆硅基负极材料。本申请进行三维立体包覆，硅酸锂包覆层增强了锂离子传导能力，碳包覆层增强了材料的电子导电性，协同抑制了硅基基质在脱/嵌锂时的体积膨胀，减少了首次充放电时的不可逆容量损失。

技术领域

本发明属于锂电池负极材料技术领域，尤其涉及一种三维包覆硅基负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为目前最具应用前景的电化学储能设备受到广泛的关注。负极材料是电池中的重要组成部分，是提升电池性能的重要材料之一。相较于目前广泛使用的石墨类负极材料，硅材料具有高理论容量(其理论容量可达到4200mAh/g)，约为碳质材料的十倍，且储量丰富，具有较低的嵌锂电位(Si平均脱锂电位0.4V vs.Li/Li⁺)。

硅材料在脱嵌锂的过程中会面临巨大的体积变化(300％)，导致Si颗粒破裂与结构坍塌，从而严重影响到电池的循环性能；此外硅材料的导电性较差。采用氧化亚硅代替硅材料，由于可生成氧化锂缓冲相，能显著提升材料的循环性能。但氧化亚硅材料同样面临体积膨胀和导电性的问题。一般采用对亚硅基质进行碳包覆处理，包覆的碳层能缓解氧化亚硅的体积变化，增强亚硅基质的导电性。包覆的碳层质量会对材料的导电性和循环稳定性产生较大的影响，因此改善亚硅包覆碳层使其兼具良好的导电性和机械强度十分重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是氧化亚硅碳包覆的碳层处理，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种三维包覆硅基负极材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种三维包覆硅基负极材料，所述负极材料以氧化亚硅为基质，氧化亚硅上依次包覆有硅酸锂包覆层和碳包覆层，碳包覆层外侧负载有碳颗粒和碳纳米管。

本申请进行三维立体包覆，硅酸锂包覆层增强了锂离子传导能力，碳包覆层增强了材料的电子导电性，两者协同抑制了硅基基质在脱/嵌锂时的体积膨胀，减少了电解质副反应的发生，减少了首次充放电时的不可逆容量损失。碳颗粒和碳纳米管都增加了负极材料颗粒之间的电子传导，碳纳米管在球型颗粒之间形成快速电子通道，同时增强了碳层的机械稳定性。

优选的，所述碳颗粒的形貌包括球状和/或半球状。碳颗粒是指气相沉积法过程中在碳包覆层上形成的碳球结构，存在完整的碳球负载在碳包覆层表面，也存在部分埋在碳包覆层里的半碳球结构。

优选的，所述碳纳米管从碳包覆层中穿插出来，形成三维立体的包覆结构。

优选的，所述氧化亚硅基质的硅氧比为0.8-1.5。

通过控制硅基的硅氧比，此范围内的硅氧负极材料具有较高的容量和首次效率。

优选的，所述碳包覆层、碳颗粒和碳纳米管通过控制碳源的种类及其温度沉积条件复合而成。

在同一个技术构思下，本发明还提供一种三维包覆硅基负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化亚硅原料置于还原性气体中部分还原，冷却洗涤干燥；

(2)将步骤(1)处理的氧化亚硅与锂源混合，高温处理，得到前驱体A；

(3)通过有机气体，气相沉积法处理前驱体A，在前驱体A表面包覆碳层；