[發明專利]一種硅碳負極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710271202.3
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN107093720A
• 公開（公告）日: 2017-08-25
• 發明（設計）人: 毛方會;楊玉潔
• 申請（專利權）人: 廣東燭光新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京卓恒知識產權代理事務所(特殊普通合伙)11394
• 代理人: 陳益思

技術領域

本發明屬于儲能材料技術領域，特別涉及一種硅碳負極材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池以其比能量大、工作電壓高、自放電率小、體積小、重量輕等優勢，自其誕生以來，便給儲能領域帶來了革命性的變化，被廣泛應用于各種便攜式電子設備和電動汽車中。然而隨著人們生活水平的提高，更高的用戶體驗對鋰離子電池提出了更高的要求：質量更輕、使用時間更長等；為了解決上述問題必須尋找新的性能更加優異的電極材料。

目前商業化的鋰離子電池負極材料主要為石墨，但因其理論容量僅為372mAh·g^-1，已不能滿足用戶的迫切需求；因此，更高比容量的負極材料的開發迫在眉睫。作為鋰離子電池負極材料，硅材料一直備受關注。其理論容量為4200mAh·g^-1，是已商業化的石墨容量的10倍以上，且具有低的嵌鋰電位、低原子重量、高能量密度、價格較便宜、環境友好等優勢，因此是新一代高容量負極材料的最優選擇之一。

但是由于硅材料本身導電性能差、且充放電過程中體積膨脹大而容易造成材料結構破壞和機械粉碎，導致其循環性能衰減快，限制了其更廣泛的應用。為了解決上述問題，現有技術主要有硅顆粒納米化、或者在硅碳負極材料表面進行包覆，在限制材料體積膨脹的同時，還能阻隔硅基材料與電解液直接接觸，從而在改善電池循環性能的同時，減少充放電過程中硅基材料與電解液之間的副反應。

由于石墨烯材料具有獨特的柔性二維平面結構，其本身是一種優良的包覆材料，可以包覆于硅碳負極材料表面。但是其二維片層結構對離子在硅碳負極顆粒內外傳輸過程中具有明顯的阻礙作用，從而影響到硅碳材料動力學性能的發揮。

有鑒于此，確有必要提出一種硅碳負極材料及其制備方法，其既可發揮出石墨烯的最大優勢，又能避免其對硅碳材料表面包覆后影響離子在硅碳材料內外的傳輸。

發明內容

本發明的目的在于：針對現有技術的不足，而提供的一種硅碳負極材料，包括核結構和殼結構，所述殼結構均勻包覆于所述核結構表面，所述核結構顆粒直徑為D1，所述殼結構厚度為h1，所述殼結構中含有石墨烯，所述石墨烯為多孔石墨烯，所述石墨烯片層厚度h2≤100nm；所述多孔石墨烯片層上的孔結構分布于所述石墨烯片層平面上；所述孔結構直徑D2,兩孔之間連續部分的寬度為d1，d1≤π*D1。從而制備得到電化學性能優良的硅碳負極材料。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種硅碳負極材料，包括核結構和殼結構，所述殼結構均勻包覆于所述核結構表面，所述核結構顆粒直徑為D1，所述殼結構厚度為h1，10nm≤h1≤5μm，殼層過小，無法起到包覆效果，殼層過大，將阻礙離子擴散；所述殼結構中含有石墨烯，所述石墨烯為多孔石墨烯，所述石墨烯片層厚度h2≤100nm；所述多孔石墨烯片層上的孔結構分布于所述石墨烯片層平面上；所述孔結構直徑D2，D2≤D1；兩孔之間連續部分的寬度為d1，d1≤π*D1，即此時，多孔石墨烯片層兩孔之間的連續區域最多將核結構的一半區域包覆住，不會完全封閉離子在硅碳負極材料內外的傳輸。

作為本發明硅碳負極材料的一種改進，所述核結構為一次顆粒結構或二次顆粒結構或多次顆粒結構；所述核結構中包含硅基負極材料，所述硅基材料包括純硅、硅氧化物、硅基復合材料、改性硅基材料中的至少一種，還可以包括非硅基負極材料，所述非含硅組分顆粒包括天然石墨、人造石墨、中間相碳微球、軟碳、硬碳、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳、碳酸鋰、非硅合金負極材料中的至少一種。

作為本發明硅碳負極材料的一種改進，所述多孔石墨烯兩孔之間連續部分的寬度為d1≤2πD1/3，當石墨烯包覆在一次顆粒表面時，如果d1＝2πD1/3，那么離子由石墨烯片層邊緣(或孔結構中)擴散至石墨烯片層兩孔之間中心區域時的路徑，正好等于離子由核結構表面擴散進入核中心區域的路徑，此時石墨烯片層對硅碳負極材料的動力學性能影響較小。

作為本發明硅碳負極材料的一種改進，所述包覆層中，還包含有傳統包覆層或/和單體原位聚合得到的聚合物碳化組分。