[發明專利]一種雙碳結構修飾的硅碳復合負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201810934477.5
• 申請日: 2018-08-16
• 公開（公告）號: CN109148851B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 王雅東;韓雯淼;張悅;張楠;李線線;何健威
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 喬宇

本發明屬于鋰離子電池領域，具體涉及一種雙碳結構修飾的碳硅復合負極材料及其制備方法。雙碳結構修飾的碳硅復合負極材料，具有兩級碳結構；具有核殼結構的納米硅碳團簇并均勻分散在三維導電碳網絡中，形成二級微米級顆粒。以該特殊結構硅基復合材料作為活性材料制備電極后組裝的電池，經過循環充放后庫倫效率穩定在98％以上，具有很好的容量穩定性；并且在不同電流密度下穩定性與承受沖擊能力較好，倍率性能相對單質硅電池材料得到大幅改善。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池領域，具體涉及一種用于鋰離子電池負極的雙碳結構修飾的硅碳復合材料及其制備方法。

背景技術

電化學儲能是當今用于儲能技術中最為清潔的技術，也是將來最有前景的發展方向。其中鋰離子電池因其能量密度高、循環性能好、無明顯的自放電現象等優勢，已然成為各類便攜式電子產品如手機、筆記本電腦的高效儲能設備，并已經在電動汽車上應用，將來甚至會普及到航天、軍事等高端領域。

對于鋰離子電池來說，負極材料很大程度上決定了電池的能量密度。相比于傳統的商業化石墨負極材料，硅材料有極高的理論比容量。單質硅材料能夠與鋰形成理論比容量為4200mAh/g的合金相Li₂₂Si₅，為傳統負極材料石墨(372mAh/g)的10倍左右，是目前已知的具有最高儲鋰容量的負極材料，且放電臺較低，儲量豐富，對環境影響小，因此硅材料是鋰離子電池負極材料中最有前景的候選者。

但是硅材料作為鋰離子電池負極材料仍面臨著巨大挑戰，一方面硅材料在鋰化與脫鋰時發生大幅度的體積變化(400％左右)，反復的充放電過程會導致硅顆粒的粉化，失去與集流體的電接觸而失活，也會使SEI膜不斷生產，使其容量迅速衰減；另一方面硅材料本身的電導率與鋰離子遷移速率較低，在大電流充放電時硅利用率較低，容量保持率低。因此硅材料盡管比容量高，但其穩定性差、循環壽命短，不能滿足高功率密度設備的應用需求。為了解決硅材料電化學性能差的問題，必須從根本上減緩硅材料體積效應帶來的影響，并改善其電導率與鋰離子擴散差的情形，即需要設計硅材料結構，保證電極材料的穩定性，并通過與其它材料復合，協同改善其大電流密度下容量保持率差的情況。同時其材料制備方法也應簡單容易實現，以推進其商業化應用。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足提供一種新型的用于鋰離子電池負極的雙碳結構修飾的硅碳復合負極材料及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

提供一種雙碳結構修飾的碳硅復合負極材料，

具有兩級碳結構；具有核殼結構的納米硅碳團簇并均勻分散在三維導電碳網絡中，形成二級微米級顆粒。

按上述方案，所述具有核殼結構的納米硅碳中內核為晶體硅；外殼則為無定型態的碳，厚度為5～8nm。

按上述方案，所述具有核殼結構的納米硅碳中內核硅的粒徑為50-150nm；雙碳結構修飾的碳硅復合負極材料粒徑為3-4μm。

本發明的另一個目的是提供一種雙碳結構修飾的碳硅復合負極材料的制備方法，其包括以下步驟：

a)將50～150nm的納米硅粉超聲分散獲得懸浮液；

b)將檸檬酸(CA)配制檸檬酸溶液中；

c)將步驟a)中形成的懸浮液緩慢的滴加進步驟b)形成的檸檬酸溶液中，高速攪拌后混合均勻，水浴攪拌直到所有溶劑都被蒸干；

d)將步驟(c)中得到的粉末放在惰性氣氛下碳化形成第一級碳結構，研磨得到Si@C一級核殼硅碳材料；

e)配制聚丙烯腈(PAN)的二甲基甲酰胺(DMF)溶液；