[發明專利]硅碳復合負極材料及其制備方法和鋰離子電池

在審

• 申請號: 201710928443.0
• 申請日: 2017-10-09
• 公開（公告）號: CN109638229A
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 鐘輝;張偉
• 申請（專利權）人: 珠海市三順納米新材料有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 深圳中一專利商標事務所 44237
• 代理人: 官建紅

本發明涉及鋰離子電池技術領域，具體提供了一種硅碳復合負極材料及其制備方法和鋰離子電池。所述硅碳復合負極材料為核殼結構的材料，其中，所述核部分包含納米硅、無定型碳、石墨烯及碳納米管，并且所述納米硅的表面包覆有所述無定型碳，包覆了所述無定型碳的所述納米硅分布于所述石墨烯和所述碳納米管表面，所述碳納米管形成三維交聯的網絡，并且所述石墨烯均勻分布于所述三維交聯的網絡中；所述殼部分為碳層。本發明提供的硅碳復合負極材料，結構穩定性能好，膨脹率小，由此得到的鋰離子電池表現出良好的電化學性能。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料技術領域，尤其涉及一種硅碳復合負極材料及其制備方法和鋰離子電池。

背景技術

硅用作鋰離子電池負極材料，理論容量可達3580mAh/g，遠高于石墨負極材料的容量(理論容量372mAh/g)，因此能大幅度提高鋰離子電池的能量密度，電子產品和電動工具充電后的工作時間也能得到大大的提高。然而，硅在充放電時體積膨脹超過300％，容易出現粉化而失去電接觸活性，導致硅負極循環壽命較差。

目前主要有以下幾種方式來降低硅的體積膨脹效應：1)將硅進行納米化；2)將硅與碳進行結合，一方面提高硅的電子傳導率，另一方面用碳緩沖硅的膨脹；3)將硅與氧進行結合，首次充電時氧與鋰、硅形成鋰硅酸鹽，緩沖硅的膨脹；4)將硅與其他金屬形成合金材料，緩沖硅的膨脹。其中將硅納米化，然后再與碳進行結合形成各種結構的硅碳復合材料是較為常見的一種方式。

申請號為106067547的中國專利公開了一種碳包覆納米硅-石墨烯-裂解碳層復合材料、制備方法及包含該復合材料的鋰離子電池。該復合材料包括由碳包覆納米硅均勻分散于石墨烯片中而形成的球形顆粒，以及包覆在球形顆粒表面的裂解碳層。球形顆粒內部的石墨烯片與石墨烯片之間無任何連接作用力，在充放電時，球形顆粒內部的納米硅膨脹，僅靠顆粒表面的無形碳層難保持球形顆粒結構的完整性，隨著循環次數的增加，石墨烯片與石墨烯片會逐漸分離開，硅會逐漸失去電接觸活性，從而導致循環性能降低。

申請號為105576203的中國專利公開了一種石墨烯/硅/碳納米管復合材料及其制備方法與應用。該復合材料的制備方法為：將石墨烯、碳納米管加入NMP溶液中，超聲振蕩使其分散均勻，再加入納米硅粉，超聲振蕩使其分散均勻，將得到的混合溶液干燥、烘干、研磨，即得到石墨烯/硅/碳納米管復合材料。由該制備方法及該專利中石墨烯/硅/碳納米管復合材料的SEM圖可知，石墨烯、硅和碳納米管并沒有造粒形成一定形狀的顆粒，比表面積較大，且對硅膨脹的緩沖，石墨烯和碳納米管沒有起到相互協同作用，因此該復合材料的循環滿足不了實際電池的應用。

發明內容

針對現有硅碳負極材料在充放電過程中存在的膨脹率大、材料結構不穩定而導致鋰離子電池循環性能不佳等問題，本發明提供一種硅碳復合負極材料及其制備方法。

更進一步地，本發明還提供一種鋰離子電池。

本發明是這樣實現的：

一種硅碳復合負極材料，所述硅碳復合負極材料為核殼結構的材料，其中，所述核部分包含納米硅、無定型碳、石墨烯及碳納米管，并且所述的納米硅表面包覆有所述無定型碳，包覆了所述無定型碳的所述納米硅分布于所述石墨烯和所述碳納米管表面，所述碳納米管形成三維交聯的網絡，并且所述石墨烯均勻分布于所述三維交聯的網絡中；所述殼部分為碳層。

相應地，所述硅碳復合負極材料的制備方法，至少包括以下步驟：

提供納米硅的分散液、石墨烯分散液及碳納米管分散液；

將無定型碳前軀體與所述納米硅分散液、石墨烯分散液、碳納米管分散液進行分散處理，得到混合分散液；

將所述混合分散液進行噴霧造粒和熱處理，得到硅碳復合負極材料的核；

在所述硅碳復合負極材料的核表面進行碳層包覆，獲得硅碳復合負極材料。