[發明專利]一種硅碳復合材料、制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201610022473.0
• 申請日: 2016-01-13
• 公開（公告）號: CN105655555B
• 公開（公告）日: 2018-07-06
• 發明（設計）人: 趙沖沖;李文;孫偉;何文祥;李靖;余心亮;施利勇
• 申請（專利權）人: 浙江天能能源科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 沈自軍

本發明公開了一種硅碳制備方法，包括步驟(1)：碳復合：將硅金屬合金材料與石墨混合，再經過二道酸洗，制得多孔硅碳復合材料；步驟(2)：碳包覆：步驟(1)制得的多孔硅碳復合材料與有機碳源混合，經熱處理制得硅碳復合材料。本發明還包括采用上述制備方法制得的硅碳復合材料、及其在制備鋰電池中的應用。本發明工藝簡單，原材料豐富、廉價，易于規模制備，是一種理想的制備方法。作為鋰離子電池負極材料表現出較優異的電化學性能。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池負極材料技術領域，具體涉及一種硅碳復合材料、制備方法及其應用。

背景技術

動力電池是新能源電動汽車的心臟，是新能源電動汽車產業發展的關鍵，然而目前已經廣泛應用在移動電子產品上的鋰離子電池的能量密度，安全性能，倍率性能等仍然不能滿足人們在電動汽車上的使用要求，成為阻礙電動汽車大面積推廣的瓶頸。鋰離子電池由正負極材料、隔膜和電解液組成，其中電極材料是電池的核心部分，決定著電池電化學儲鋰性能，因此負極電極材料的性能直接影響著鋰離子電池的性能。目前主要的商業化的鋰離子電池負極材料以石墨負極材料為主，其實際比容量已經接近372mAh/g的理論值，其較低的理論容量制約了鋰離子電池的能量密度的提高，因此進一步研發具有高比容量、優異的循環穩定性及安全性的負極材料已迫在眉睫。

硅作為鋰離子電池負極材料具有4200mAh/g的理論比容量，遠高于石墨的容量，作為負極材料可以較大幅度的提高電池的能量密度，并且硅的放電平臺略高于石墨負極材料，不易產生析鋰，安全性能優于石墨，另外硅容量豐富，價格低廉，因此是目前最有前景的鋰離子電池負極材料。但是硅作為鋰離子電池負極材料也有明顯的缺點，如硅作為半導體材料，其自身電導率較低；在充放電過程，隨著鋰離子的嵌入和脫出，硅材料體積變化較大，導致材料粉化、脫落，最終導致與集流體脫離，循環穩定性較差。

為了解決上述問題通常采用摻雜、納米化等方法提高硅基材料的電化學性能。公開號為CN104332621A中國專利文獻公開了一種利用金屬熱還原制備空心納米硅球的方法，利用活潑金屬還原二氧化硅納米球，控制活潑金屬的含量使其只還原二氧化硅納米球表面，而內核仍然是二氧化硅，然后利用鹽酸及氫氟酸去除金屬氧化物和二氧化硅，得到空心納米硅球。公開號為CN101179126B中國專利文獻公開了一種用于鋰二次電池的包括硅為主要成分的電極材料，該電極材料包括硼、鋁、鎵、銻和磷中至少一種元素相對于硅的原子比在1×10_-⁵至1×10_-¹的范圍內的摻雜劑量對硅進行摻雜。這些方法一定程度上提升了硅基材料的電化學性能，然而這些制備方法比較復雜，成本較高，不易規模制備，且電化學性能有待進一步提高。

發明內容

為了獲得具有較優異電化學性能的硅碳復合材料，本發明提供一種硅碳復合材料、制備方法及其應用。

一種硅碳復合材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟(1)：碳復合：將硅金屬合金材料與石墨混合，再經過二道酸洗，制得多孔硅碳復合材料；

步驟(2)：碳包覆：將步驟(1)制得的多孔硅碳復合材料與有機碳源混合，經熱處理制得硅碳復合材料。

本發明通過對硅金屬合金材料進行二道酸腐蝕，制得多孔硅(多孔硅碳復合材料)，并通過與碳復合及碳包覆制備硅碳復合材料。硅碳復合材料中，碳和微孔的存在有效地緩沖了硅的體積膨脹，增強了硅的導電及電化學性能。本發明方法工藝簡單，原材料豐富、廉價，有利于工業放大生產。

步驟(1)中，先利用球磨法將硅金屬合金材料磨成粉末，然后和石墨混合制得石墨/硅金屬合金復合材料，其中，球磨的轉速為300～1000轉/分，球磨時間2～48小時；硅金屬合金材料和石墨的混合質量比為0.2-5:1。

本發明利用高能球磨法制備石墨/硅金屬合金復合材料(粉末)。提高原料的混合效果，同時有利于后續步驟的酸腐蝕。