[發(fā)明專利]一種硅碳復合材料、其制備方法和應用

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• 申請日: 2017-08-15
• 公開（公告）號: CN107611416A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設計）人: 霍開富;高標;梅世雄;安威力;付繼江;張旭明
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38;H01M4/583
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙)42224
• 代理人: 紀元

本發(fā)明公開了一種硅碳復合材料、其制備方法和應用，該方法包括以下步驟：將玻璃粉末和片層碳材料濕法球磨后得到玻璃和碳材料的均勻混合產物，與鎂粉、熔鹽均勻混合后壓實成錠，發(fā)生鎂熱反應，將反應產物酸洗處理得到夾層狀多孔硅/類石墨烯結構復合材料。該發(fā)明步驟簡單易行,原料來源廣泛，最重要的是通過壓實過程，將混合物制作成錠之后，再進行鎂熱反應，大大增加了硅碳負極材料的振實密度，提高了負極材料的體積比容量，同時和石墨等碳材料復合后形成的類似三明治結構也有效地提高了材料的電子電導率，改善了硅基材料與電解液的相容性，從而提高了材料的循環(huán)性能和倍率性能，可應用于高功率密度和高能量密度的鋰離子電池負極材料。

技術領域

本發(fā)明屬于鋰離子電池負極材料領域，更具體地，涉及一種硅碳復合材料、其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池由于具有高的能量密度已經成為便攜式電子器件的重要儲能裝置,然而,應用于新興的電動運輸系統(tǒng)中的新型電池相比于傳統(tǒng)電池,應具有更高的比容量、能量密度和更好的循環(huán)壽命。在眾多的鋰離子電池負極材料中,硅由于具有異常高的比容量、在地殼中豐富的儲量以及發(fā)達的制造業(yè)工業(yè)化基礎設施的優(yōu)勢,被認為是最有希望的材料。硅用于鋰離子電池的研究歷史已經超過30年,但是硅材料的機械粉碎和容量的迅速衰減嚴重影響了其循環(huán)性能,因而限制了硅材料在鋰離子電池中的實際應用。碳材料雖然比容量不高但具有極其穩(wěn)定的循環(huán)特性因而是目前市場上的主要負極材料。碳材料具有較高的電子電導率,為復合材料提供較好的電子通道；同時碳與硅材料復合后能緩和硅材料體積形變帶來的應力變化。將二者結合制備高比容量且長壽命的鋰離子電池用硅/碳復合負極材料受到越來越多的關注。

目前硅碳復合材料主要有包覆型和嵌入型這兩種。包覆型的硅碳復合材料是在硅的表面包覆一層碳，從而起到緩沖硅體積效應所引起的相變和提供電子傳輸通道的作用。根據硅與碳復合的結構不同，包覆型硅碳復合材料又可分為核殼型、纖維型和多孔型三種；將活性硅顆粒嵌入到結構導電碳基體中便得到了嵌入型的硅碳復合材料。但是目前這些制備硅碳復合材料的方法，不僅條件苛刻、成本昂貴，步驟復雜，而且污染嚴重、涉及很多有毒物質、對人危害性較大。例如文獻“硅碳負極材料的制備方法”(CN104103821A)中，首先在化學氣相沉積反應室內放置催化劑；加熱化學氣相沉積反應室，往化學氣相沉積反應室內通入反應氣體源和載氣，將化學氣相反應過程中產生的Si-SiOx通過動態(tài)旋轉的經過羧基化處理的碳基體，制得硅碳負極材料的前驅體。在這里所述反應氣體源為SiH₄、SiH₃R、SiH₂R₂、SiHR₃中的一種或幾種，進行化學氣相沉積。其過程危險系數(shù)高，操作難度系數(shù)大，成本高，不適合大規(guī)模生產。又如專利“一種硅碳負極復合材料的制備方法”(CN201710064083.4)中，通過水熱法在硅粉表面包覆碳前驅，再在惰性氣氛下煅燒；將煅燒后的材料分散在混合溶液中，高速分散后進行干燥處理；將干燥后的材料用腐蝕液進行腐蝕處理。采用水熱法在硅表面包覆碳，不僅不安全，而且產率低，同時用腐蝕液腐蝕得到的多孔硅，其孔道結構雜亂，在循環(huán)過程中仍會粉化。還有的利用激光處理對納米硅進行碳包覆，例如文獻“One-Step Synthesis of Si@C Nanoparticles by Laser Pyrolysis:High Capacity AnodeMaterial for Lithium-Ion Batteries(ACS Appl.Mater.Interfaces 2015,7(12):6637-6644)，這種方法需要配備激光處理儀器，要求高要使用乙炔氣，對設備要求較高，價格昂貴，無法大規(guī)模廣泛應用。

另外，以上方法制備得到的復合材料還有存在體積能量密度和功率能量密度低，不能滿足電池負極材料的應用要求的缺陷。

發(fā)明內容