[發明專利]硅碳復合材料及其制備方法及負極材料及電池

有效

• 申請號: 201610156545.0
• 申請日: 2016-03-18
• 公開（公告）號: CN105742599B
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發明（設計）人: 郝三存;胡磊;樊仁義
• 申請（專利權）人: 蘇州協鑫集成科技工業應用研究院有限公司;協鑫集成科技（蘇州）有限公司;協鑫集成科技股份有限公司;蘇州協鑫集成儲能科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/485;H01M4/58;H01M4/587
• 代理公司: 廣州華進聯合專利商標代理有限公司 44224
• 代理人: 唐清凱

本發明涉及一種硅碳復合材料，其包括三層核殼結構，最內層為硅材料，中間層為金屬化合物，最外層為碳材料；硅材料選自硅、硅氧化物和金屬硅化物中的一種或幾種。上述硅碳復合材料，在硅材料和碳材料之間還設有金屬化合物的中間層，有效改善了硅材料和碳材料之間的界面接觸性，使硅碳復合材料在使用過程中更加穩定。該硅碳復合材料的導電性提升，能量密度也有提升。該硅碳復合材料，在后續的配料使用過程中更易于與集流體粘結，不容易團聚或掉料，提高了硅碳復合材料循環性能。其制備方法，工藝難度低，設備簡單，利于工業化生產。本發明還公開了一種上述硅碳復合材料的制備方法、負極材料及電池。

技術領域

本發明涉及電池領域，特別是涉及一種硅碳復合材料及其制備方法及負極材料及電池。

背景技術

與傳統地石墨負極材料相比，硅具有超高的理論比容量(4200mAh/g)和較低的脫鋰電位(＜0.5V)，且硅的電壓平臺略高于石墨，在充電時不容易發生表面析鋰行為，安全性能更好，因此成為電池的負極材料新的研究方向。

但是，由于硅是半導體材料，作為電池負極材料時，自身電導率較低，鋰離子在充放電過程中的嵌入和脫出會使硅體積發生300％以上的膨脹和收縮，會使粉體材料結構逐漸坍塌，最終導致電極活性物質與集流體脫離，導致電池循環性能大大降低。

為改善硅基材料的循環性能，提高循環穩定性，同時保持其原有的高能量密度特性。通常將硅基材料復合化，形成硅碳復合材料。因為碳材料具有較高的電子電導率和離子電導率，可顯著改善硅基材料的倍率性能，抑制硅在循環過程中的體積效應。此外，碳材料能阻隔硅與電解液直接接觸，降低不可逆容量。

但是，傳統的硅碳復合材料中硅材料和碳材料兩者之間的界面接觸較差，且傳統的硅碳復合材料制備工藝難度大，設備復雜，不利于工業化生產。

發明內容

基于此，有必要針對現有的硅碳復合材料中硅材料和碳材料兩者之間的界面接觸較差、且制備工藝難度大的問題，提供一種界面接觸好且制備簡單的硅碳復合材料。

一種硅碳復合材料，其包括第一核殼結構，所述第一核殼結構的內核為納米粒子，所述第一核殼結構的外殼為碳材料；所述納米粒子為第二核殼結構，所述第二核殼結構的內核為硅材料；所述第二核殼結構的外殼為金屬化合物；所述硅材料選自硅、硅氧化物和金屬硅化物中的一種或幾種。

上述硅碳復合材料，包括兩個核殼結構，也就是說，在硅材料和碳材料之間還設有金屬化合物的中間層，通過金屬化合物的中間層有效改善了硅材料和碳材料之間的界面接觸性；使硅碳復合材料在使用過程中更加穩定。上述硅碳復合材料，由于加入了金屬化合物，提高硅碳復合材料的導電性，其能量密度也有提升。上述硅碳復合材料，通過對核殼結構的納米粒子的二次包覆，在后續的配料使用過程中更易于與集流體粘結，不容易團聚或掉料，提高了硅碳復合材料循環性能。另外，通過設置中間層，從而降低碳材料直接包覆在硅材料表面的難度，設備簡單，利于工業化生產。

在其中一個實施例中，所述硅氧化合物的通式為SiO_x，其中，0.5≤x≤1.5；所述金屬硅化物的通式為MSi_y，其中，M選自Fe、Ni、Cr、Mn、Ti和Co中的一種或幾種，0.5≤y≤2。

在其中一個實施例中，所述金屬化合物選自金屬氧化物和金屬鹵化物中的一種或幾種。

在其中一個實施例中，所述碳材料選自碳納米管、中間相碳微球、石墨烯和硬碳中的一種或幾種。

在其中一個實施例中，所述納米粒子的中值粒徑為10-600nm。

在其中一個實施例中，所述硅碳復合材料的中值粒徑為1-100μm。

本發明還提供了一種上述硅碳復合材料的制備方法。

一種硅碳復合材料的制備方法，包括如下步驟：