[發明專利]一種復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201810159491.2
• 申請日: 2018-02-26
• 公開（公告）號: CN110197895A
• 公開（公告）日: 2019-09-03
• 發明（設計）人: 蘇航;李陽興;于哲勛;王平華
• 申請（專利權）人: 華為技術有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京同達信恒知識產權代理有限公司 11291
• 代理人: 馮艷蓮

一種復合材料及其制備方法，用以解決現有技術中存在的電池中硅負極材料容易破裂和粉化的問題。該復合材料包括層狀硅內核以及多個碳納米管，所述層狀硅內核包括多個硅基材料層，相鄰兩個所述硅基材料層之間具有層間空隙，且每個所述硅基材料層具有至少一個通孔，所述硅基材料層包括硅或硅的氧化物，所述多個碳納米管中的每個碳納米管貫穿至少兩個所述硅基材料層的所述通孔。

技術領域

本申請涉及材料技術領域，尤其涉及一種復合材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池通常采用石墨作為負極材料，石墨的理論克容量為372mAh/g，而當前實際使用的石墨的克容量已超過360mAh/g，已接近理論極限值，很難再有上升的空間，制約電池的能量密度的進一步提升。

硅的理論克容量遠大于石墨，達到4200mAh/g，很有希望被用作電池負極材料。但是，在電池的充放電過程中，硅基負極材料不斷在滿嵌鋰狀態與脫鋰狀態下轉換，而硅基負極材料在滿嵌鋰狀態下體積相對于脫鋰狀態下體積增大可達約300％至400％，頻繁且劇烈的體積變化導致硅基負極材料容易發生破裂和粉化，降低電池壽命。

發明內容

本申請提供一種復合材料及其制備方法，用以解決現有技術中存在的電池中硅負極材料容易破裂和粉化的問題。

第一方面，本申請提供一種復合材料，包括：層狀硅內核以及多個碳納米管。其中，所述層狀硅內核包括多個硅基材料層，該硅基材料層包括硅或硅的氧化物，如一氧化硅等。相鄰兩個所述硅基材料層之間具有層間空隙，該層間空隙的大小在相鄰兩個硅基材料層不同位置處可以不同，且不同的相鄰兩層的層間空隙的大小也可以不同。每個所述硅基材料層具有至少一個通孔，不同的通孔的形狀以及大小可以不同。該多個碳納米管中的每個碳納米管經由硅基材料層的通孔貫穿硅基材料層，一些碳納米管可以貫穿層狀硅內核的所有硅基材料層，一些碳納米管可以只貫穿部分硅基材料層，且一些通孔中可以貫穿有一個碳納米管，一些通孔可以貫穿有多個碳納米管。

上述復合材料的相鄰兩個硅基材料層之間具有層間空隙，該層間空隙可以抑制復合材料在嵌鋰時的膨脹壓力，減少復合材料因體積變化較大而破裂或粉化的幾率。不僅如此，硅基材料層上的開孔可以緩解層狀硅內核在收縮-膨脹過程中的層內應力，進一步減小硅基材料層破裂和粉化的幾率。再者，貫穿層狀硅內核的碳納米管陣列能夠給層狀硅內核提供較強的縱向支撐，增強復合材料的強度。不僅如此，碳納米管陣列還能夠增強復合材料的導電性能，進而提高電池的性能。碳納米管陣列，是指包括多個朝向相同或相近的碳納米管。

在一些可選的實現方式中，相鄰兩個所述硅基材料層的至少一部分相連，以增強層狀硅內核的結構強度以及硅基材料層的層間導電性能。

在一些可選的實現方式中，每個碳納米管與一個或多個硅基材料層相連，例如，碳納米管可以與其貫穿的一個或多個通孔的邊緣相連，也可以與其接觸但未貫穿的硅基材料層相連。上述結構可以增強層狀硅內核的結構強度以及硅基材料層的層間導電性能。

在一些可選的實現方式中，復合材料還包括：包覆在所述層狀硅內核的外表面的包覆層，該包覆層將層狀硅內核包覆在內部。該包覆層可以為碳包覆層、無機化合物包覆層或有機物包覆層。該包覆層可以減少層狀硅內核與電解液的直接接觸，減緩電池容量衰減，而且，包覆層為碳包覆層時還可以提供高效的導電界面，提升電池的功率性能。

在一些可選的實現方式中，在脫鋰狀態下，層狀硅內核110的相鄰兩個硅基材料層111之間的層間空隙的大小在10納米(nm)至10微米(μm)范圍內，例如，相鄰兩個硅基材料層111之間的層間空隙可以為10nm、40nm、120nm、660nm、1μm、5μm、8μm、10μm等。上述大小的層間空隙可以讓層狀硅內核110在脫離狀態與嵌鋰狀態之間轉換時，具有較小的體積變化，降低復合材料破裂和粉化的幾率。