[發明專利]碳/硅復合鋰離子電池負極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201010524082.1
• 申請日: 2010-10-29
• 公開（公告）號: CN102013487A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發明（設計）人: 顏梅;高偉強;葛慎光;張海東;萬夫偉;葛磊;黃加棟;趙佩妮
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/139
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及鋰離子電池負極材料領域，更具體地說是一種碳/硅復合鋰離子電池負極材料的制備，本發明還涉及采用所述的碳/硅復合鋰離子電池負極材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子二次電池作為一種新型電源系統，已經廣泛應用于各個領域，特別是在各種便攜式微電子器材上。隨著微電子工業的迅速發展，對其電源系統的要求也越來越高，預計在未來的幾年內，鋰離子電池容量要增加兩倍才能滿足其需求。

目前商業化鋰離子電池負極材料采用的是石墨類碳材料，其理論比容量只有372mAh/g，因而限制了鋰離子電池比能量的進一步提高，不能滿足日益發展的高能量便攜式移動電源的需求。硅是一種最有希望取代碳材料的負極材料，這是因為硅具有高達4200mAh/g的最高容量；并且具有類似于石墨的平穩的放電平臺。但與其它高容量金屬相似，硅的循環性能非常差，不能進行正常的充放電循環。硅作為負極材料使用時，在充放電循環過程中，Li₂Si合金的可逆生成與分解伴隨著巨大的體積變化，會引起合金的機械分裂(產生裂縫與粉化)，導致材料結構的崩塌和電極材料的剝落而使電極材料失去電接觸，從而造成電極的循環性能急劇下降，最后導致電極失效，因此在鋰離子蓄電池中很難實際應用。研究表明，小粒徑的硅或其合金無論在容量上還是在循環性能上都有很大的提高，當合金材料的顆粒達到納米級時，充放電過程中的體積膨脹會大大減輕，性能也會有所提高，但是納米材料具有較大的表面能，容易發生團聚，反而會使充放電效率降低并加快容量的衰減，從而抵消了納米顆粒的優點；采用各種沉積方法制備的硅膜能夠在一定程度上延長材料的循環壽命，卻不能消除其較高的首次不可逆容量，從而制約了這種材料的實用化。另外一種改善硅負極性能的研究趨勢就是制備硅與其它材料的復合材料或合金，其中，結合碳材料的穩定性和硅的高比容量特性而制備的硅/碳復合材料顯示了巨大的應用前景。現在文獻報道的硅/碳復合材料的制備工藝主要有以下幾方面。

1.機械球磨

這種方法是把硅粉和碳或碳化硅混合后，直接球磨成納米復合材料。硅粉和碳材料經過高能機械球磨后，能夠以納米尺度相互均勻分散。由于納米尺寸的硅粉周圍包圍著碳材料，從而可以抑制由于插鋰和脫鋰引起的體積變化，在一定程度上改善硅材料的循環性能。隨著硅含量的增加，硅/碳復合材料的比容量增加，但循環穩定性變差。同時，復合材料中兩種組分的晶體結構、尺寸及相容性決定著材料的最終性能。

這種方法制備的復合材料存在的主要問題是：由于比表面積較大，而且不能完全防止球磨過程中的微量氧化，因此首次不可逆容量大。

2.高聚物包裹硅粉進行碳化

這種方法可以把硅粉很好地分散在碳基質中，改善其循環性能；但由于高聚物碳化后形成的是無定形碳，不能完全體現石墨碳材料的穩定性和導電性，并且可能由于無定形結構而增加復合材料的首次不可逆容量，因此綜合性能并不理想。

3.瀝青作為粘結劑粘結硅粉和石墨后進行碳化

瀝青不但可以作為粘結劑均勻結合石墨和硅，而且碳化后還起到表面涂層的作用。但瀝青低溫碳化產物同樣為無定形結構，并且瀝青作為粘結劑對碳和硅的粘結作用有限，因此所制備的材料性能還有待于進一步提高。

4.CVD涂層

直接利用CVD方法，對硅或硅/碳混合物進行碳膜包裹。涂層后，硅的循環性能改善，但由于涂層量較少，不能完全體現碳基體作用，所制備的材料性能較差，但通過這種方法制備的材料可以研究硅/碳復合材料儲鋰機理。

因此，碳/硅負極材料實際應用存在著許多需要解決的問題，迄今這些問題還沒有得到有效解決。

所以，需要提供一種易于工業化、制備工藝簡單，并且具有高比容量、高首次循環效率和循環壽命長的碳/硅復合鋰離子電池負極材料。

發明內容

本發明的目的是提供一種工藝簡單、成本低廉、具有高比容量、高首次循環效率和循環壽命長的碳/硅復合鋰離子電池負極材料。

本發明的另一目的是提供上述碳/硅復合鋰離子電池負極材料的制備方法。采用這種制備方法能夠在碳基體中原位生成納米硅顆粒，并且由于制備過程中材料的自組裝作用，硅顆粒與碳基體能夠緊密結合，賦予碳/硅復合鋰離子電池負極材料同時具備碳材料的穩定性和硅的高比容量特性。

本發明涉及一種碳/硅復合鋰離子電池負極材料，其特征在于它組成如下：

碳????????????40-100重量份

硅????????????15-60重量份