[發明專利]硅碳復合材料及其制備方法、含該材料的鋰離子電池

有效

• 申請號: 201310151522.7
• 申請日: 2013-04-26
• 公開（公告）號: CN103236530A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 朱廣燕;趙志剛;陳效華
• 申請（專利權）人: 奇瑞汽車股份有限公司
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M10/0525
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司 11112
• 代理人: 柴亮;張天舒

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及一種鋰離子電池材料及其制備方法、含該材料的鋰離子電池。

背景技術

目前，生產使用的鋰離子電池主要采用石墨化碳為負極材料，但材料的儲鋰容量不高。就石墨基負極材料來說，其較大的層狀結構空隙既為鋰的儲存提供了場所，也決定了該材料的低理論比容量（約372mAh/g）的特性。因此，開發新型的高容量和高倍率負極材料具有很高的研究和利用價值。較長時間以來，鋰合金作為可替代的負極材料而倍受關注，硅基材料和錫基材料就由于其高的質量比容量（硅基材料和錫基材料的理論比容量分別為4200mAh/g和990mAh/g）而成為研究熱點，特別是硅基材料。然而充放電過程Li-Si電極嚴重的體積效應和粉化脫落降低了電池的效率和循環性能。開發含硅的復合材料已成為人們研究的重點，研究思路一般將硅與其它非活性的金屬（如Fe、Al、Cu等）形成合金（文鐘晟、楊軍、劉宇等，鋰離子電池負極用硅鋁合金/碳復合材料及其制備方法，中國專利申請號：CN03116070.0），或將材料均勻分散到其它活性或非活性材料中形成復合材料（如Si-C、Si-TiN等）（楊軍、文鐘晟、劉宇等，鋰離子電池負極用高比容量的硅碳復合材料及制備方法，中國專利申請號：CN02112180.X），可以一定程度上改善其循環穩定性。

上述方法雖然在一定程度上緩解了硅基負極材料的容量衰減，但其機理都是簡單的物理復合或高溫碳包覆，都不能從根本上抑制充放電過程中的體積效應，在經過多次循環后，容量又將開始迅速衰減。因此，有必要開發一種工藝簡單、且能有效抑制硅的體積效應的高容量硅基負極材料的制備工藝。

發明內容

本發明的目的是解決現有硅碳復合材料和由其制備的鋰離子電池的循環性能、導電性能低下的問題，提供一種循環性能、導電性能優良的硅碳復合材料的制備方法。

解決本發明技術問題所采用的技術方案是一種硅碳復合材料的制備方法，所述制備方法包括：

1）混料步驟：

將硅粉和導電碳材料加入到硅酸鈉溶液進行混料，得到混合物；

2）二氧化硅包覆步驟：

向步驟1）得到的混合物加入無機酸反應得到二氧化硅包覆的硅-導電碳網絡復合材料；

3）碳包覆步驟：

將步驟2）得到的二氧化硅包覆的硅-導電碳網絡復合材料用高分子聚合物在加熱下進行碳包覆；

4）脫二氧化硅層步驟：

將步驟3）得到的經過二氧化硅和碳包覆的硅-導電碳網絡復合材料用氫氟酸進行脫二氧化硅層，獲得硅碳復合材料。

本發明通過利用預留的孔隙來容納硅顆粒嵌鋰過程中的體積膨脹，且在孔隙中預先分散導電網絡碳材料，提高了硅碳復合材料的導電性，達到減緩甚至消除電化學活性物質因體積膨脹而粉化脫落的現象，有效延長硅碳復合材料的循環壽命；且導電網絡更有利于鋰離子的快速傳導，提高了硅碳復合材料的導電性；同時合成工藝簡單，易于實施。

優選的是，在所述的混料步驟中，所述的混料為超聲分散1h-4h，硅粉與硅酸鈉的質量比為1︰（5-10），導電碳材料與硅粉的質量比為1︰（10-20）。

優選的是，在所述的混料步驟中，所述的導電碳材料為石墨烯、碳納米管、氣相生長碳纖維、乙炔黑、膨脹石墨、石墨中的任意一種或幾種。

優選的是，在二氧化硅包覆步驟中，所述的反應時間為2h-4h，所述的無機酸為鹽酸或硫酸。

優選的是，在碳包覆步驟中，所述的高分子聚合物為聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、酚醛樹脂、瀝青、葡萄糖、蔗糖中的任意一種或幾種。

優選的是，在碳包覆步驟中，所述的高分子聚合物與二氧化硅包覆的硅-導電碳網絡復合材料的質量比為1︰（1-3），所述的碳包覆的加熱溫度為700℃-900℃。

優選的是，在脫二氧化硅層步驟中，所述的氫氟酸的質量濃度為5%-40%，反應時間為1h-10h，氫氟酸與硅酸鈉的物質的量比為（4-10）︰1。

優選的是，在脫二氧化硅層步驟中，所述的氫氟酸的質量濃度為10%-20%，反應時間為2h-8h。

本發明所要解決的技術問題還包括，針對現有的硅碳復合材料循環性能、導電性能低下問題，提供一種循環性能、導電性能優良的硅碳復合材料。

解決本發明技術問題所采用的技術方案是一種硅碳復合材料，該硅碳復合材料是通過上述方法制備的。

由于本發明的硅碳復合材料是通過上述方法制備的，其循環性能、導電性能較好。