[發明專利]一種含硅復合材料及其制備方法和用途

有效

• 申請號: 200610170387.0
• 申請日: 2006-12-29
• 公開（公告）號: CN101210112A
• 公開（公告）日: 2008-07-02
• 發明（設計）人: 梁善火;沈菊林;肖峰
• 申請（專利權）人: 比亞迪股份有限公司
• 主分類號: C08L101/12
• 分類號: C08L101/12;C08K7/00;C09C3/10;H01M4/36;C08K3/04;C08K3/32;C08K3/34;C08L79/02;C08L65/00
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司
• 代理人: 王鳳桐;顧映芬

技術領域

本發明是關于一種含硅復合材料及其制備方法和用途。

背景技術

目前商品化的鋰離子電池大多采用鋰過渡金屬氧化物/石墨體系作為負極活性材料，雖然這類體系的電化學性能優異，但是其本身儲鋰能力較低，特別是碳類負極活性材料的理論容量僅為372毫安時/克，如此低的容量目前已難以適應各種便攜式電子設備的小型化發展及電動汽車對大容量、高功率化學電源的需求。因此，目前正在研究一種新的具有更高比容量的負極活性材料來提高鋰離子電池的性能，滿足市場需求。

對非碳負極活性材料的研究表明，有許多高儲鋰性能的金屬或合金類材料可能作為負極活性材料使用，其中硅因具有嵌鋰比容量大(理論比容量可達4200毫安時/克)和嵌鋰電位低(小于0.5伏)等特點而成為最有吸引力的一種。然而，硅在脫嵌鋰的過程中存在嚴重的體積效應，導致使用硅做負極活性材料的電池的循環穩定性差，從而阻礙了硅的工業化應用。

為此，目前許多研究者都致力于高儲鋰材料的改性與優化設計，并且已取得了一定的進展。解決硅材料的體積效應問題通常有兩種方法：一是在電池負極的集流體上沉積硅薄膜，這種方法的優點是電極中不需要添加其它組分，缺點是不適合于大規模生產，且當硅薄膜的厚度超過1微米時，鋰離子的擴散距離增大，電阻增加。二是制備含硅的復合材料，最常見的是硅/碳復合材料。雖然碳的加入會導致復合材料的比容量有所下降，但降低后的比容量仍大大高于碳本身的比容量，因此仍可以作為碳類負極活性材料的理想替代物。目前的硅/碳復合材料主要是“糕點型”結構，即將硅顆粒首先分散在有機前驅體中(主要是瀝青、樹脂等)，再將有機物進行高溫炭化處理，得到硅/碳復合材料。這種硅/碳復合材料需要通過高溫炭化處理(一般在900-1200℃)才能得到，炭化過程還需要惰性氣氛進行保護，較高的溫度和惰性氣體保護給工業生產帶來極大的不便，而且也大大增加了生產成本。另外，上述產品經過高溫炭化處理后需要經過破碎處理，破壞產品的包覆結構，從而影響復合材料的電化學性能。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術中的含硅復合材料的制備方法需要在惰性氣氛保護下進行高溫炭化處理的缺點，提供一種無需惰性氣氛保護且無需進行高溫炭化處理的含硅復合材料及其制備方法和用途。

本發明提供的含硅復合材料含有硅粒子、石墨粒子和導電聚合物，所述導電聚合物包覆在石墨粒子的表面上，所述硅粒子至少部分附著在導電聚合物表面上。

本發明提供的含硅復合材料的制備方法包括在硅粒子和石墨粒子存在下，在聚合反應條件下使導電聚合物前驅體發生聚合反應，得到含有硅粒子、石墨粒子和導電聚合物的含硅復合材料，所述導電聚合物包覆在石墨粒子的表面上，所述硅粒子至少部分附著在導電聚合物表面上。

本發明提供的含硅復合材料在鋰離子二次電池負極活性材料中的應用。

根據本發明提供的含硅復合材料，由于包覆在石墨粒子表面的是導電聚合物，因而無需將聚合物進一步轉變成“硬碳”即可使該含硅復合材料具有優異的導電性，同時還能與石墨協同作用，避免硅粒子之間的團聚，用作鋰離子電池負極活性材料時可以使鋰離子電池具有高的可逆容量和良好的循環性能，因而可用作鋰離子電池負極活性材料。本發明提供的含硅復合材料的制備方法通過選用能夠形成導電聚合物的物質在硅粒子和石墨粒子表面進行聚合，得到導電性聚合物，從而無需將聚合物進一步轉變成“硬碳”即可使該含硅復合材料具有優異的導電性，由此簡化了生產工藝，還解決了由現有技術中的高溫炭化處理帶來的巨大能耗問題。

具體地說，本發明所提供的含硅復合材料的制備方法具有以下優點：

(1)采用原位聚合包覆方法，工藝簡單易行；

(2)反應在常溫下進行，不需要加熱及高溫炭化處理，能耗低；

(3)反應不需要任何保護氣體；

(4)反應可在水系環境中進行，不使用任何有機溶劑，因此對環境污染小；

(5)含硅復合材料產品結構均勻、不結塊，不需破碎處理，因而可得到具有完整核殼結構的復合材料顆粒；

(6)用聚合物代替碳作為包覆材料，復合材料的電化學性能良好。

附圖說明

圖1為由本發明實施例1制得的含硅復合材料的掃描電子顯微照片(SEM)；

圖2為由對比例1制得的由石墨和導電聚合物形成的復合材料的掃描電子顯微照片(SEM)；

圖3為對比例2制得的含硅復合材料的掃描電子顯微照片(SEM)。

具體實施方式