[发明专利]一种三维多孔硅碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种三维多孔硅碳复合材料及其制备方法和应用，该三维多孔硅碳复合材料的制备方法包括(1)将氧化亚硅与碱金属碳酸盐分散于溶剂中，得到含氧化亚硅和碱金属碳酸盐的混合液；(2)将细菌纤维素膜浸渍于含氧化亚硅和碱金属碳酸盐的混合液中，完成后干燥；(3)将步骤(2)干燥得到的产物在非氧化性气氛下加热处理，然后自然冷却至室温；(4)将步骤(3)得到的产物分散到溶剂中，分离得到固态的产物；(5)将步骤(4)得到的产物清洗后进行干燥，即得。本发明的方法环保、安全，制得的三维多孔硅碳复合材料能够有效地降低充放电过程中的体积膨胀的同时提高材料的导电性，从而使电池的电化学性能得到极大提高。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料的技术领域，具体涉及一种三维多孔硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池因其优异的性能在消费电子、动力以及储能等领域获得广泛的应用。当前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨，该负极材料的制备技术已相当成熟，但石墨负极容量已接近理论容量(372mAh/g)，随着市场对电池能量密度的需求大幅提高，迫切需要开发具有更高能量密度的锂离子电池。

开发高容量的负极材料是提升锂离子电池能量密度的有效途径，其中硅负极材料是最有希望的负极材料之一，纯硅负极的理论比容量可以达到4200mAh/g，但硅基负极材料导电率低且在充放电过程中面临着严重的体积膨胀(300％)，这成为阻碍硅基负极产业化的一大障碍。为了缓解或克服硅基负极导电率低和体积膨胀带来的不利影响，可通过硅颗粒的纳米化、碳包覆及构造特殊的复合材料结构等多种方式来提高硅负极的电化学性能。

目前纳米硅制备的方法包括高能球磨法、硅烷热解法等。专利CN105655569A公开了一种超细纳米硅粉的制备方法，将粗硅粉进行一次研磨，再将一次研磨料与辅材混合进行二次球磨，最后通过干燥等步骤得到纳米硅粉。采用该方法制得的纳米硅粉颗粒不规则、粒径分布不能有效控制、生产效率低且能耗较高。专利CN103936009A公开了一种硅烷热分解生产纳米级高纯硅粉的方法，其中硅烷属于易燃易爆气体，不利于输运和储存，对工艺和设备的安全性要求极高。

将硅颗粒进行纳米化虽然能够在一定程度上缓解硅负极在循环过程中的体积膨胀，但是纳米硅具有较强的表面效应、会导致二次团聚，加快容量的衰减；而且纳米硅具有较大的比表面积，与电解液产生更多接触，不利于改善材料的电化学性能。因此，纳米硅一般不单独做负极使用，通常需要与其他材料(如碳材料)复合。对硅基材料进行碳包覆，能够在缓解硅负极材料的体积变化的同时构建导电网络，提升导电性能，因此近年来碳包覆硅复合材料受到极大关注。然而，作为包覆层的碳材料的塑型应变不能够完全缓冲复合材料在脱-嵌锂过程中导致的硅材料的体积膨胀，最后造成包覆层破裂、电池首次库伦效率下降及长时循环性能变差。因此，需要研究具有良好塑性形变的碳材料对硅颗粒进行包覆，其中三维网络结构能够有效缓冲硅脱嵌锂过程中产生的巨大的体积变化，并且网络结构能够为锂离子的传输提供通道。

专利CN103000865A公开了一种制备碳纤维-硅纳米线负极材料的方法，包括硅纳米线的制备和碳纤维-硅纳米线复合材料制备等步骤，其中硅纳米线的制备需要用到易燃易爆的硅烷气体，复合材料制备需要长时间的球磨，而且该方法以硅片为载体制备硅纳米线，不利于工业化生产、对设备的安全性要求较高且制备过程的能耗较大。专利CN103337612A公开了一种纳米多孔硅碳复合材料及其制备方法，通过对多元合金进行腐蚀来制备纳米多孔硅碳复合材料，该方法通过在强电解质溶液中自由腐蚀来实现高活性的纳米多孔硅碳复合材料的可控制备，但是由于金属与碳基材料难以在复合材料基体中均匀分散，使最终形成的孔洞结构分布不够均匀，无法改善材料的导电性能。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容