[發明專利]一種蜂窩狀硅碳復合材料、其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201711237620.7
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108023076B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 霍開富;梅世雄;高標;安威力;張旭明;付繼江
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 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

本發明屬于鋰離子電池負極材料領域，更具體地，涉及一種蜂窩狀硅碳復合材料、其制備方法和應用。該硅碳復合材料通過一步反應制得，具有蜂窩狀結構，包括三維貫通的多孔硅以及碳填充在所述多孔硅孔道中，所述多孔硅顆粒尺寸為1～3微米，所述多孔硅孔徑為100～200納米，介孔孔徑為20～40納米；所述多孔硅顆粒表面包覆有無定型碳。將本發明的硅碳復合材料用作鋰離子電池負極材料，其循環性能和倍率性能良好，可應用于制作長壽命的高能量密度鋰離子電池負極材料，由此解決現有技術用作鋰離子電池材料的硅碳復合材料制備方法復雜、條件苛刻、成本昂貴等技術問題。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料領域，更具體地，涉及一種蜂窩狀硅碳復合材料、其制備方法和應用。

背景技術

硅是目前人類至今為止發現的比容量(4200mAh/g)最高的鋰離子電池負極材料,是一種最有潛力的負極材料。硅作為鋰電池負極應用也有一些瓶頸，第一個問題是硅在反應中會出現體積膨脹的問題。通過理論計算和實驗可以證明嵌鋰和脫鋰都會引起體積變化，這個體積變化是300％。所以不論做成什么樣的材料，微觀上，在硅的原子尺度或者納米尺度，它的膨脹是300％。在材料設計時必需要考慮大的體積變化問題。高體積容量的材料在局部會產生力學上的問題，通過一系列的基礎研究證明，它會裂開，形成嚴重的脫落。第二個問題就是在硅表面的SEI膜是比較厚且不均勻的，受溫度和添加劑的影響很大，會影響鋰離子電池中整個比能量的發揮。硅碳包覆等技術手段可以有效解決硅在鋰電池負極應用中遇到的問題，另外，完整的表面包覆非常重要，防止硅和電解液接觸，產生厚的SEI膜的消耗。微觀結構的設計也很重要，要來維持在循環過程中電子的接觸，離子的通道，體積的膨脹。

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。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，在循環過程中仍會粉化。有的利用化學氣相沉積制備硅碳復合材料，如文獻“Novel design of ultra-fast Si anodes for Li-ion batteries:crystalline Si@amorphous Si encapsulating hard carbon.”(Nanoscale6.18(2014):10604-10610)，首先利用硅烷氣體在硬碳顆粒表面沉積一層Si,然后在900℃的熱處理溫度下通乙炔氣體進行碳包覆，但是此方法生產成本高，產量有限，并且利用SiH₄作為硅源進行氣相沉積，SiH₄極易被氧化，與空氣接觸時容易發生自然，存在爆炸危險。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 byLaser Pyrolysis:High Capacity Anode Material for Lithium-Ion Batteries(ACSAppl.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，無法大規模廣泛應用。

發明內容