[發明專利]硅碳復合材料、鋰離子電池及制備方法和應用

有效

• 申請號: 201811519150.8
• 申請日: 2018-12-12
• 公開（公告）號: CN111312996B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 葛傳長;范拯華;曾繁俊;沈龍;吳志紅
• 申請（專利權）人: 上海杉杉科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 薛琦;劉奉麗

本發明公開了一種硅碳復合材料、鋰離子電池及制備方法和應用。該制備方法包括下述步驟：(1)將添加劑、物質A和納米硅漿料的混合液和物質B混合，經固化反應，得樹脂固化物；物質A為液態樹脂或液態樹脂的單體A；當物質A為液態樹脂時，物質B為固化劑；當物質A為液態樹脂的單體A時，物質B為液態樹脂的單體B，物質A和物質B經固化反應制得固化的樹脂；(2)將步驟(1)中所述樹脂固化物經預碳化處理、碳化處理和包覆處理后，即得。本發明制得的硅碳復合負極材料用作電池負極時電池的首次可逆容量較高、首次庫倫效率較高和循環性能佳，電化學性能優良，產品穩定性和一致性高，能夠滿足高性能鋰離子電池對負極材料充放電性能的要求。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池領域，具體涉及硅碳復合材料、鋰離子電池及制備方法和應用。

背景技術

隨著電子電器、空間技術、國防裝備以及新能源汽車向高能量密度和長壽性方向發展，現有鋰離子電池的性能越來越難以滿足當前的高標準要求。負極材料作為鋰離子電池中至關重要的一部分，其能量密度和循環壽命對電池的整體性能影響深遠。目前，生產使用的鋰離子電池負極主要采用石墨材料，石墨負極材料為層狀結構，可以儲存一定的鋰離子，但理論儲鋰容量只有372mAh/g，顯然不能滿足日益增長的市場需求。因此，新型高性能負極材料的開發已成當務之急。

相比而言，硅基材料因為其高的理論容量和較低的儲鋰電位而引起廣泛的研究興趣，但是硅基材料也存在明顯的缺點，一是循環過程中體積膨脹大，導致活性材料粉化從集流體上脫落，容量衰減迅速；二是硅本身是半導體材料，導電性差，這些缺點一定程度上限制了硅材料的發展。針對硅的體積膨脹，將硅與具有彈性且性能穩定的基體復合是提高硅類材料穩定性的有效途徑。一方面為硅的體積膨脹提供了緩沖空間，一方面促進了硅與鋰之間的電荷傳遞反應，提高了整體材料的導電性。雖然碳材料的充放電比容量較低，難以滿足電動車及混合電動車對電池高容量化的要求，但碳類材料具有相對彈性的結構，是良好的鋰離子載體和電子導體，因此通過Si、C間的優勢互補，制備性能優異的硅碳復合材料從而達到目前電池設計和實際應用的要求。

專利文獻CN103022448A公開了一種硅碳負極材料的制備方法，該方法是先將硅粉分散于溶劑中進行濕法球磨，然后加入天然石墨繼續球磨得到所述硅碳材料，由于該方法中硅粉是沉積于天然石墨基體表層，屬于簡單的物理接觸復合，沒有形成穩定的化學界面，因此硅基材料的膨脹問題依然存在，電池循環穩定性也達不到要求。

專利文獻CN103633295A公開了一種硅碳復合材料的制備方法，該方法是將硅粉和氧化亞硅粉混合均勻后，再與含有有機碳源分散劑的溶液混合進行濕法球磨，然后將所得漿料、石墨基體和導電劑混合均勻后通過噴霧干燥得到球狀顆粒，最后采用瀝青對所得球狀顆粒進行包覆和碳化得到最終材料。該方法一定程度上改善了材料的循環穩定性，但是首次可逆容量和效率較低，此外過于復雜的工藝路線增加了生產成本，不利于工業化生產，產品一致性也難以保證。

專利文獻CN106532009A公開了一種高容量鋰離子電池硬炭復合負極材料的制備方法，該方法通過將有機高分子、硅氧化物與交聯劑反應，使有機高分子能夠固化并均勻包裹在硅氧化物填料上，有效抑制和減小了硅氧化物的嵌鋰膨脹效應，但是該方法制得的材料的放電容量最高僅為848mAh/g，相比于硅的理論容量(4200mAh/g)仍有大幅可提升的空間。

因此，如何進一步提升硅碳復合材料的首次可逆容量、首次庫倫效率和循環性能成為本領域亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術硅碳負極材料首次可逆容量較低、首次庫倫效率較低和循環性能差的缺陷，而提供了一種硅碳復合材料、鋰離子電池及其制備方法、應用。本發明的硅碳復合材料用作電池負極時電池的首次可逆容量較高、首次庫倫效率較高和循環性能佳，制備工藝簡單、高效，適宜工業化大生產。