[发明专利]一种硅碳负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅碳负极材料及其制备方法和应用，其中硅碳负极材料由硅碳前驱体及具备高功率密度包碳人造石墨混合形成；硅碳前驱体占硅碳负极材料重量20％至70％，且其由纳米级硅和无定型碳混合形成；本发明的硅碳前驱体中碳结构因为优化的原料、独特加工工艺而具备稳定的结构，各向同性度高，硬度高，除了保证充电过程中极化效应小外，还能够有效限制纳米硅充放电过程的体积效应、减少因为形成新SEI膜造成的副反应；该碳结构中的空穴比例和尺寸能够有效吸收和缓冲硅的体积膨胀，以此为基础制备的负极材料在充放电过程中具有循环性能好、快充性能优的特点，与液相包碳的高容量密度人造石墨复合可以实现兼具高容量密度和高功率密度的性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池石墨负极材料和锂离子电池技术领域，具体涉及一种高容量密度及高功率密度的硅碳负极材料。

背景技术

锂离子电池作为一种二次电池依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池以其高能量密度和高功率输出而在储能领域获得极大应用。传统石墨负极因为容量低越来越难以满足快速增长的储能器件对容量密度需求，硅作为锂离子电池众多负极材料的备选之一，在常温下的理论比容量为3572mAh/g，远高于石墨(372mAh/g)，是目前已知比容量最高的锂离子电池负极材料；除此之外，它还有较低的充放电电位、制备过程能耗低、价格低廉、环境友好等优点。但纯硅在充放电的过程中，由于Li+不断地与硅进行合金化与去合金化，造成了明显的硅体积膨胀效应(可达300％)，这会使硅负极材料破碎、粉化，不断重新生成电解质内膜(SEI层)，消耗大量电解液，同时造成负极粉体从集流体上脱落，降低储能装置的循环性能，严重影响了硅作为负极材料应用的速度，降低了储能装置容量密度提高的速度。

为了使硅负极材料保持较高的循环稳定性，目前对硅材料的改性主要有两类。一类为通过对材料本身进行改善，如改变硅本身的晶型，形貌，大小等，如制备无定型硅、硅材料纳米化、制备成线状或管状等，该方案在制备条件、批量制备能力、制备成本等方面都存在很大困难；还有一种是通过优化硅和碳的结构，来达到良好控制体积膨胀的效果，如多次包覆、石榴结构设计等，但是目前靠这种结构改善尚未能够达到预期性能，尤其在循环稳定性上存在明显差距。

同时，储能装置对材料的要求不仅仅停留在容量和循环上，对于容量密度、功率密度等综合性能也都有较高的要求，常见的方案是通过复合高容量密度人造石墨包碳来达到，其中固相包碳虽然成本较低，但是包覆层偏厚且不均匀。

因此，目前尚未见能够将这些性能需求均衡实现的案例。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种高容量密度及高功率密度的硅碳负极材料，由硅碳前驱体及具备高功率密度包碳人造石墨混合形成；

其中所述的硅碳前驱体占硅碳负极材料重量20％至70％，且其由纳米级硅和无定型碳混合形成；

所述的无定型碳中具备40重量％至80重量％的镶嵌中间相结构，所述的镶嵌中间相结构为由石油渣油、煤沥青、树脂中的一种或多种调配而成的有机碳源体，其中稠环芳烃的比例占30重量％至60重量％。

优选地，所述的镶嵌中间相结构与纳米硅形成均匀分散，中间相碳均匀分隔纳米硅且包裹住纳米硅。

本发明还公开了一种高容量密度及高功率密度的硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、将沥青与树脂按照比例在控制温度条件下搅拌均匀得到物料A，将用洗油分散的通过计算确定用量的纳米硅粉作为物料B，均匀搅拌下加入沥青与树脂的混合液形成物料C；

其中：所述的物料A中沥青的质量比为30-80％，所述的控制温度条件为150-200℃；所述的沥青为石油沥青或煤沥青及相应改质沥青，所述树脂为酚醛树脂；