[發明專利]一種碳納米層包覆硅負極材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 201711339205.2
• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN109962214B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 王素力;戚甫來;孫公權
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及鋰離子負極材料技術領域，具體涉及一種碳納米層包覆硅負極材料及其制備方法，該制備方法包括如下步驟：A、制備碳前體；B、制備碳硅前體；C、制備碳納米層包覆硅負極材料。制備的碳硅負極材料為多孔碳包覆納米硅的納米片結構，包覆的硅納米粒子分布于碳層表面。包覆結構極大的降低了硅的體積膨脹；高孔隙率的多孔結構有效的緩解了硅膨脹對電極結構影響；并且碳納米層提供了較好的導電網絡。本發明包覆方法簡便，原料來源廣泛，價格低廉，工藝條件易控制，操作成本低，極具工業化前景。相比現行的包覆方法，具有包覆層均勻，包覆速率快等優點。本發明的碳納米層包覆硅負極材料比容量高，循環性能和倍率性能優良。

技術領域

本發明涉及鋰離子負極材料技術領域，具體涉及一種碳納米層包覆硅負極材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池，作為一種應用十分廣泛的能量存儲器件，具有能量密度高、自放電小、工作電壓范圍寬、無記憶效應、使用壽命長、無環境污染等優點，鋰離子電池性能的最終決定性因素是電極材料，其中負極材料對鋰離子電池性能的提高起著至關重要的作用。目前負極材料的應用主要以傳統石墨材料為主，但石墨比容量已接近372mAh/g的理論值，難有提升的空間，已無法滿足高比能量動力鋰電池的需求，所以開發其它新型負極材料從而提升鋰電池性能已成為負極材料研究領域熱點。

硅的理論比容量為4200mAh/g，遠高于石墨材料的比容量，且硅的電壓平臺略高于石墨，在充電時不會引起表面析鋰，安全性能更好，另外硅的來源廣泛，存儲豐富，所以硅被認為最有可能替代石墨的新型負極材料之一。但以硅作為鋰離子電池負極材料在嵌鋰的過程中體積膨脹達300％。充放電過程中鋰離子反復的嵌入脫出，材料逐漸粉化，造成結構坍塌，最終導致電極活性物質與集流體脫離，喪失電接觸，導致電池循環性能大大降低；此外，由于這種體積效應，硅在電解液中難以形成穩定的固體電解質界面(SEI)膜；伴隨著電極結構的破壞，在暴露出的硅表面不斷形成新的SEI膜，加劇了硅的腐蝕和容量衰減。

目前對于高容量硅負極材料的改性主要采用表面改性、摻雜、復合等方法形成包覆或高度分散的體系，通過提高材料的力學性能，以緩解脫嵌鋰過程中體積膨脹產生的內應力對材料結構的破壞，從而提高其電化學循環穩定性。通過有機碳源表面聚合(CN103531760B，CN104466185A)或水熱碳化包覆的到的碳硅負極多為單分散的碳硅納米球，這些材料雖能在循環性上得到一定的改善，但顆粒之間的電子傳導受到極大的限制，效果依然不夠理想，無法滿足高性能動力鋰離子電池的性能要求。

目前包覆結構的是怎么做的，有什么樣的問題(結合對比文獻來說)對比出本發明技術方案的優勢

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷，提供一種有效的鋰離子電池碳包覆硅負極材料的方法，能顯著減小碳硅負極材料的比容量衰減速度，提高碳硅負極材料的循環性能，同時提供高效電子傳導通道，改善電池的倍率性能。本發明采用以下具體方案實現的：

(1)將多元醇和無機酸攪拌均勻后并加熱抽真空使其發生酯化反應，將含氨基化合物的分散液加入所得反應產物中，再次混合均勻后加熱使其發生成鹽反應，得到碳前體懸浮液：

(2)將步驟(1)所得碳前體懸浮液與納米氧化硅混合均勻；

(3)將步驟(2)所得的碳硅前體在惰性氣氛下高溫碳化并鎂熱還原即得碳硅負極。

步驟(1)中所述所述多元醇與無機酸的物質的量的比為1：3-1：8；所述無機酸與氨基化合物的物質的量的比為5：1-1：1。

步驟(1)中所述溶劑為水、甲醇、乙醇、乙二醇或兩種及兩種以上的混合液；所述多元醇為季戊四醇、木糖醇、山梨醇中一種或兩種以上；所述無機酸為硼酸、磷酸、硫酸、硝酸中一種或兩種以上；所述氨基化合物為尿素、三聚氰胺、氰胺、氨基酸中一種或兩種以上。

步驟(1)中所述含氨基化合物的分散液質量濃度為3-50％。