[发明专利]一种高首效石墨烯复合硅碳负极材料及其制备方法以及电池

说明书

本发明提供了一种高首效石墨烯复合硅碳负极材料，由具有核壳结构的硅碳颗粒与石墨烯微片复合而成；所述具有核壳结构的硅碳颗粒的外层为无机碳层，内部为硅酸盐包裹的纳米硅颗粒；所述具有核壳结构的硅碳颗粒与石墨烯微片之间通过硅酸盐的侨联作用复合。其中，硅酸盐具有良好的锂离子导电率以及结构稳定性，无机碳包覆层在协同缓减材料膨胀的同时提升了材料的导电性。通过硅酸盐层以及无机碳层的多级包覆结构以及硅酸盐组分的侨联作用，抑制一次颗粒中纳米硅在循环过程中的体积膨胀，减少了充放电过程中体积膨胀对二次颗粒的破坏，保证了负极材料在具备高克容量的同时，具备优异的循环性能。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，尤其涉及一种高首效石墨烯复合硅碳负极材料及其制备方法以及电池。

背景技术

锂离子电池作为一种性能突出的储能器件，在新型能源的储能电源系统、电动工具、新能源汽车、军事装备、航空航天等多个领域中均有广泛的应用。人们对新一代锂离子电池的能量密度、倍率性能、循环性能、高低温性能等提出了更高的要求。针对能量密度的发展要求，提升电极材料的比容量是最为直接有效的方法。

硅基负极材料的理论克容量可达4200mAh/g，同时具有较低的脱嵌锂电位，是一种极具应用潜力的电池材料。然而，巨大的体积膨胀在缩短了电池循环寿命的同时，也限制了这种材料在高端电子设备中的应用。同时，硅基负极材料在首次充放电过程中形成大量的SEI膜，容易消耗活性锂离子，造成首次库伦效率的降低。因此，制备一种具有高首效、长循环性能的硅基负极材料成为电池负极材料行业内研发的重点与难点。

目前，针对硅碳负极材料的结构以及组分设计，研究人员进行了大量的尝试。从电化学性能表现上来说，负极材料无法在首次效率以及循环性能上得到兼顾，主要原因是无法从根本上抑制纳米硅颗粒的破碎。同时，材料的制备工艺过程复杂，成产成本高昂，工业化应用的难度较大。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种高首效石墨烯复合硅碳负极材料及其制备方法以及电池，制备的石墨烯复合硅碳负极材料具有高首次效率和长循环寿命。

本发明提供了一种高首效石墨烯复合硅碳负极材料，由具有核壳结构的硅碳颗粒与石墨烯微片复合而成；

所述具有核壳结构的硅碳颗粒的外层为无机碳层，内部为硅酸盐包裹的纳米硅颗粒；

所述具有核壳结构的硅碳颗粒与石墨烯微片之间通过硅酸盐的侨联作用复合。

所述石墨烯微片的含量优选为2wt％～25wt％，尺寸优选为2～15μm，厚度优选小于2nm，单层率优选大于30％。

本发明优选的，所述硅酸盐为硅酸锂或硅酸镁。

本发明优选的，所述硅酸锂为Li₂SiO₃；或者主要成分为Li₂SiO₃，还包括Li₈SiO₆、Li₄SiO₄、Li₂Si₂O₅、Li₂Si₅O₁₁中的一种或多种。

本发明优选的，所述硅酸镁为MgSiO₃或Mg₂SiO₄中的一种或多种。

本发明中，所述无机碳层可以通过气相包覆或液相包覆的方法形成，本发明对此并无特殊限定。

所述气相包覆的碳源优选为乙炔、甲烷、乙烯、樟脑中的一种或多种。

所述液相包覆的碳源优选为抗坏血酸、葡萄糖、壳聚糖、羧甲基纤维素、沥青、蔗糖、淀粉、环氧树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇中的一种或多种。

上述碳源的不同并不会使产品的性能产生不同。