[發明專利]鋰離子電池用層狀硅/碳復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201811037841.4
• 申請日: 2018-09-06
• 公開（公告）號: CN109216677A
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發明（設計）人: 錢華玉;相江峰;廖正根
• 申請（專利權）人: 遠東福斯特新能源有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 南昌贛西專利代理事務所(普通合伙) 36121
• 代理人: 謝年鳳

本發明公開一種鋰離子電池用層狀硅/碳復合材料的制備方法,以硅納米顆粒和碳材料為原料，采用超聲分散法及真空抽濾法，其特征是利用超聲分散法，控制硅納米顆粒和碳材料的比例，將硅納米顆粒和碳材料均勻分散到溶劑中，得到硅/碳分散液；再將上述硅/碳分散液經過真空抽濾系統抽濾處理，得到硅/碳層狀材料前驅體；然后進行碳化、活化反應，得到具有層狀硅/碳復合材料。使用該配方和工藝制造的層狀硅/碳復合材料，充分利用了層狀碳材料的保護作用，將生長在高膨脹硅材料表面的SEI層轉移形成到相對低膨脹的層狀碳材料表面，減少硅材料充放電過程中的體積膨脹對SEI層的破壞，從而提高鋰離子電池中硅負極的穩定性及良好的充放電速率、容量保持率和循環壽命。

技術領域：

本發明涉及一種鋰離子電池用的負極材料及其制備方法，具體涉及一種用于高容量、高穩定性鋰離子電池負極，特別是具有層狀多孔特殊結構，性能穩定的一種鋰離子電池用層狀硅/碳復合材料及其制備方法。

背景技術:

在鋰離子電池發展的三十年間，能量密度隨著材料的不斷發展而不斷提高。目前商業化的鋰離子電池負極材料主要是天然石墨、人造石墨、中間相炭球等碳材料，其實際容量已經接近其理論容量的極限（372 mAh/g）。碳材料已經無法滿足更高比容量鋰離子電池的需求，因此亟需開發新的高比容量負極材料代替碳材料。硅材料在所有已知鋰離子電池負極材料中有著最高的比容量，理論比容量可以達到4200 mAh/g，而且硅儲量豐富，來源廣泛，價格便宜，因而備受業界關注。但是硅負極材料在鋰離子脫/嵌過程中的體積膨脹變化可以達到100%~300%，硅材料表面的SEI界面會因為硅體積的巨大變化而不斷發生破碎、重新形成的過程，造成硅材料的可逆容量急劇減小，電池的電解液消耗過快，充放電倍率性能劣化，循環性能很差。

業界普遍采用納米化的方法來緩解硅材料的體積膨脹問題。納米化的硅材料能夠降低脫/嵌鋰過程中體積膨脹，一定程度上提高首次容量和首次充放電效率。但是，納米硅材料比表面積大，缺陷密度高，更容易發生團聚而影響使用。為了解決這個問題，研究人員嘗試將結構穩定且電導率高的碳材料用于改善納米硅材料的表面。在硅/碳復合材料中，硅用于發揮高容量的儲鋰作用；碳可以有效提高電導率，并緩沖硅顆粒在循環過程中的體積變化，提高硅材料的循環壽命。但是目前已有的硅/碳復合材料，絕大多數是將硅顆粒與碳簡單地混合，或者將碳包覆在納米硅顆粒表面。上述硅/碳材料在充放電過程時，電解質中的溶劑仍然可以接觸到硅材料而在硅表面形成不穩定的SEI界面，并隨著充放電的進行不斷破壞和重新形成，這正是現有納米化的硅/碳復合材料容量保持率低的主要原因。

因此，如何來提供一種既可提高硅材料的循環壽命，同時充分利用層狀碳材料的保護作用，將生長在高膨脹硅材料表面的SEI層，轉移形成到相對低膨脹的層狀碳材料表面，減少硅材料充放電過程中的體積膨脹對SEI層的破壞，從而提高鋰離子電池中硅負極的穩定性。使用鋰離子電池用層狀硅/碳復合材料制造的電池能夠表現出良好的充放電速率、容量保持率及循環壽命。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種鋰離子電池用層狀硅/碳復合材料的制備方法；使用該配方和工藝制造的層狀硅/碳復合材料，充分利用了層狀碳材料的保護作用，將生長在高膨脹硅材料表面的SEI層轉移形成到相對低膨脹的層狀碳材料表面，減少硅材料充放電過程中的體積膨脹對SEI層的破壞，從而提高鋰離子電池中硅負極的穩定性及良好的充放電速率、容量保持率和循環壽命。

本發明的目的是要提供一種鋰離子電池用層狀硅/碳復合材料的制備方法，以硅納米顆粒和碳材料為原料，采用超聲分散法及真空抽濾法，其特征是利用超聲分散法，控制硅納米顆粒和碳材料的比例，將硅納米顆粒和碳材料均勻分散到溶劑中，得到硅/碳分散液；再將上述硅/碳分散液經過真空抽濾系統抽濾處理，得到硅/碳層狀材料前驅體；然后進行碳化、活化反應，得到具有層狀硅/碳復合材料。

本發明所述一種鋰離子電池用層狀硅/碳復合材料的制備方法，其包括如下方法步驟：