[发明专利]一种锂电池硅碳负极材料的制备方法

说明书

本发明涉及电池材料领域，尤其涉及一种锂电池硅碳负极材料的制备方法，其包括：S1:采用烷氧基硅烷偶联剂对纳米硅材料进行表面修饰的预处理；S2:使用聚合物单体在经表面修饰的纳米硅材料表面进行原位聚合，得到前驱体；S3:将前驱体在惰性气氛保护下碳化处理，得到硅碳复合材料。烷氧基硅烷偶联剂在纳米硅材料与聚合物单体的界面间起搭桥作用，可保证聚合物单体在纳米硅材料颗粒表面均匀聚合，碳化后可得到结构、颗粒大小、组成等均一性良好的硅碳复合材料。由于聚合物单体的原位聚合，热解碳能更好地缓解硅因体积膨胀产生的机械应力，减少负极材料粉化和崩塌的现象，提高负极材料的导电性，改善负极材料与集流体间的电接触，提高电池的循环稳定性。

技术领域

本发明属于电极材料制备领域，尤其是一种锂电池硅碳负极材料的制备方法。

背景技术

随着电子设备向小型化、智能化和多功能领域发展，需要锂电池具有更小的体积和更高的输出功率，同时电动汽车的开发需要更大容量、更低成本、更高安全性和稳定性的电池。锂离子电池的性能主要取决于正负极材料，而发展更高能量密度的负极材料是当前的研究重点之一。

硅基负极材料因具有高的理论容量(4200mAh g^-1)和较合适的脱- 嵌锂电位(0.5V)，成为最有希望的高容量负极材料。但是，硅材料在脱/嵌锂过程中，存在着较大的体积膨胀(体积膨胀100％～300％)，这种结构上的膨胀收缩变化破坏了电极结构的稳定性，导致硅颗粒破裂粉化，造成电极材料结构的坍塌和剥落，使电极材料失去电接触，最终导致负极的比容量迅速衰减，使锂电池循环性能变差。2009年，荷兰的《能源》(J PowerSources，2009，第189卷，762页)杂志上报道了硅与碳材料复合，可有效避免Si在充放电过程中的体积膨胀效应，并且碳材料可以提高Si的导电性，改善电极活性物质与集流体的电接触，提高 Si的循环稳定性。

目前，人们常采用两步法制备Si/C复合纳米材料，即先将Si纳米颗粒分散到有机碳源溶液获得前驱体，随后高温热解碳化获得Si/C复合纳米材料，此种方法制备复合材料的缺点是无法控制复合材料的结构、颗粒大小以及组成，难以保证材料的均一性，从而影响复合负极材料性能的稳定性。有机碳源通常为葡萄糖、蔗糖、柠檬酸等，为了增加硅材料相对有机碳源分散的均匀性，还可能会借助一些表面活性剂(如中国专利CN107204445A、CN107359317A)，表面活性剂通常聚乙二醇、聚丙烯酰胺、硬脂酸、十二烷基硫酸钠、六偏磷酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、乙氧基-丙氧基形成的两性三嵌段聚合物等。表面活性剂是利用分子一端为亲水基团、另一端为疏水基团的特点包裹在悬浮液中颗粒物的表面达到增加颗粒物分散度和分散稳定性。

该方法中，需将纳米硅粉材料分散在有机溶剂中(用到有机溶剂)，且表面活性剂主要是使悬浮液中颗粒物与颗粒物分开以提高分散度，对有机碳源与硅材料之间不起到特异性地相结合及连接作用，且表面活性剂还会引入硅碳以外的杂质元素。因而，该方法制备的Si/C复合材料的结构、颗粒大小、Si(C)的比例组成等方面的均一性仍显不足。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种锂电池硅碳负极材料的制备方法，该方法通过加入烷氧基硅烷偶联剂，一方面可在硅材料与高聚物以化学键结合的方式起到桥接作用，提高Si/C复合材料结构、颗粒大小、组成等均一性；另一方面，引入硅碳之外的其他杂质元素，有利于获得良好电化学性能的硅碳负极材料。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种锂电池硅碳负极材料的制备方法，其包括：

S1:采用烷氧基硅烷偶联剂对纳米硅材料进行表面修饰的预处理；

S2:使用聚合物单体在经表面修饰的纳米硅材料表面进行原位聚合，得到硅碳复合材料前驱体；