[發明專利]由二維硅納米片自組裝的硅碳微球復合材料及制備方法與其在鋰離子電池負極材料中的應用

有效

• 申請號: 202010747593.3
• 申請日: 2020-07-29
• 公開（公告）號: CN111952559B
• 公開（公告）日: 2022-10-25
• 發明（設計）人: 吳松平;付麗麗;宋楊;孫浩;琚家豪;徐鑫;王繹君
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;馮振寧

本發明公開了由二維硅納米片自組裝的硅碳微球復合材料及制備方法與其在鋰離子電池負極材料中的應用，屬于鋰離子電池技術領域。該方法包括：將硅?金屬合金粉末，用酸腐蝕，加入含碳化合物，完成表面包覆，煅燒，得到復合材料。二維硅納米片是復合材料的核心部分，其關鍵是用表面活性劑改性共晶硅矩陣框架的表面，將含碳化合物包覆在共晶硅矩陣框架表面，煅燒后，表面有機物被熱解成碳而形成均勻包覆層，得到由碳包覆的二維硅納米片組裝成的微球。碳包覆層主要起導電并抑制硅體積膨脹的作用，硅作為電化學活性材料儲存能量。該復合材料可作為新能源電動汽車等大功率領域鋰離子電池負極材料，具有較高的比容量、長周期循環性能好和優異的倍率性能。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，具體涉及一種由二維硅納米片自組裝的硅碳微球復合材料及制備方法與其在鋰離子電池負極材料中的應用。

背景技術

隨著全球性石油資源緊缺與氣候環境的不斷惡化，發展清潔節能的新能源汽車受到世界各國的高度重視，而動力電源是新能源汽車發展的關鍵。目前，商業上鋰離子電池主要采用石墨類負極材料，但其也有一定的缺陷，其理論容量僅有372mAh g^-1，無法滿足未來對鋰離子電池高能量密度的需求，所以開發新型鋰離子電池負極材料成為目前研究的重點。硅基負極材料具有高的理論比容量(4200mAh g^-1)、和較低的脫鋰電位(0.5V)，環境友好及成本低廉的優點，受到科研人員的青睞。

然而，硅基負極材料在工業化的過程中也同樣遇到一些挑戰，硅在充放電過程中體積膨脹效應高達300％，從而引發結構坍塌、粉化等問題，嚴重制約了硅作為鋰電負極材料的應用。所以，抑制硅反應中的體積膨脹效應，改善硅導電性等問題成為研究的關鍵。其中，將硅與碳結合形成硅碳復合材料是目前硅負極材料研究中普遍采用的方法。硅碳負極材料在充放電過程中體積變化較小，具有較好的循環穩定性能，而且碳質負極材料本身是離子與電子的混合導體。另外，硅與碳化學性質相近，二者能緊密結合，因此，碳常用作與硅復合的首選基質。在硅碳復合體系中，硅顆粒作為活性物質，提供儲鋰容量；碳既能緩沖充放電過程中硅負極的體積變化，又能改善硅質材料的導電性，還能避免硅顆粒在充放電循環中發生團聚。

例如，申請公布號為CN 105226285 A的中國發明專利申請中公開了一種多孔硅碳復合材料及其制備方法，其制備過程為：首先提供硅-活潑金屬合金并通過液相法與造孔劑進行反應，以除去所述活潑金屬，之后用氫氟酸溶液清洗所述多孔硅納米材料以去除氧化硅，之后再進行球磨，包覆聚合物、碳化，最后得到多孔硅-碳復合材料。雖然材料的膨脹率得到降低，比容量得到提高，但采用此方法制備過程復雜，且氫氟酸對設備的腐蝕性較強容易造成安全隱患，同時制備出的材料的首次效率偏低，影響其材料在鋰離子電池領域的應用推廣。

發明內容

為了克服現有技術存在的上述不足，本發明的目的是提供一種由二維硅納米片自組裝的硅碳微球復合材料及制備方法與其在鋰離子電池負極材料中的應用。

本發明提供了一種解決硅基材料在鋰離子電池應用中體積膨脹嚴重的方法，合成一種具有微球結構的高性能硅碳復合材料。

本發明的另一目的是提供一種工藝簡單，成本低廉，安全性高，環境友好的上述硅碳復合材料的制備方法。

本發明的再一目的是提供一種具有獨特的二維硅納米片組裝的微球結構的高性能硅碳復合材料，在鋰離子電池負極上的應用，在商業中的應用。

本發明提供的由二維硅納米片自組裝的硅碳微球復合材料是由碳包覆硅碳微球、二維硅納米片組裝而成。碳包覆層可以有效地緩解在鋰化和去鋰化過程中硅顆粒的體積變化，增加材料的導電性，提高材料電化學性能穩定性。二維硅納米片組裝的微球結構穩定，可以發揮其容量的優勢。

本發明充分結合了硅材料與碳材料二者的優點，從空間結構入手，首先合成了獨特硅框架組裝的微球，在硅框架微球的基礎上引入碳包覆層。硅框架可以對整個微球結構起到支撐的作用，既保證了復合材料結構的穩定性，又提升了容量和循環壽命，具有良好的發展前景。