[發明專利]一種SiOx-SiC-C/G硅碳復合材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 202010863876.4
• 申請日: 2020-08-25
• 公開（公告）號: CN112028065B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 周昊宸;周向清;王鵬;周進輝
• 申請（專利權）人: 湖南宸宇富基新能源科技有限公司
• 主分類號: C01B32/21
• 分類號: C01B32/21;C01B32/05;C01B32/97;C01B33/113;H01M4/36;H01M4/48;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525;H01M10/54
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所(普通合伙) 43114
• 代理人: 盛武生;魏娟

本發明屬于鋰離子電池電池領域，具體公開了一種SiO_x?SiC?C/G硅碳復合材料，包含石墨內核，以及在石墨內核表面逐層原位包覆的SiO_x層、SiC層和無定型碳層；優選地，石墨內核的粒徑為5～15μm；包覆在SiO_x層、SiC層和無定型碳層的總厚度為1～5μm。本發明還公開了所述的材料的制備和應用。本發明提供了一種全新結構的硅碳復合材料，其以石墨為核，且在核的原位包覆有SiO_x層、在SiO_x層上原位包覆有SiC層，并進一步在SiC層表面原位包覆有無定型碳層。本發明研究發現，所述的特殊結構形貌的材料，具有更優的結構穩定性，具有更優的容量以及循環穩定性。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料技術領域，具體涉及一種負極材料特別是利用廢碳渣為原料的制備方法。

背景技術

以煤炭、石油為主的化石能量已不能滿足人類可持續發展的需求，改善能源消費結構、減少對化石能源的依賴勢在必行。鋰離子電池作為走在科技前沿的綠色儲能器件，已經被廣泛地應用于便攜式電子設備及電動汽車等領域，同時，這些領域也對儲能器件的能量密度提出了越來越高的要求。而現行的鋰離子電池用負極材料主要為石墨類，存在比容量低的缺陷，導致能量密度難以得到進一步提升。因此，開發新型高容量負極材料意義重大。在眾多新型負極材料中，硅基負極材料廣被看好。硅具有高達3579mAh/g的理論嵌鋰容量、較低的放電平臺(～0.3 VvsLi/Li+)及較高的地殼儲量，是長期以來新型高容量負極材料研究領域的重點和熱點。然而，硅負極應用于鋰離子電池體系時，存在以下問題：在硅負極的嵌鋰過程中，會發生高達300％的體積膨脹，在反復的膨脹、收縮過程中，會使得材料破裂、粉化、與集液體失去電接觸，最終導致材料失效；同時，在首次嵌鋰過程中所形成的固態電解質膜(SEI)會由于硅的體積變化效應發生破裂，并在暴露的新鮮硅表面反復形成新的SEI膜，SEI膜的不斷增厚及增多最終導致硅材料結構破壞、性能失效；另外，硅本身較低的電子導電性及離子導電性也限制了電極的容量發揮，嚴重降低倍率性能。

硅氧化合物(SiO_x，x2)的理論比容量低于純硅材料，但是其在充放電過程中的體積效應較小，更加易于實現應用突破，并且相比與碳系材料，其比容量依然比較可觀。相比于其他金屬氧化物，SiOx在充放電過程中所形成的分散性的硅微晶疇不會發生區域融合，避免了在循環過程中大顆粒硅的形成，因而具有較其他金屬氧化物更好的循環穩定性。此外，Si-O鍵較Si-Si鍵的鍵合力更強，因而SiO_x的結構穩定性優于硅。但是對于循環穩定性較好的氧化硅基負極，其在充放電過程中，依然存在因導電性不佳而帶來的反應活性不高的問題，且在電循環中依然存在較高的體積膨脹，導致材料與電解液接觸發生副反應、材料失效快，嚴重限制了該材料的實際應用。

發明內容

本發明第一目的在于，提供一種具有優異結構穩定性、循環穩定性的全新結構形貌的SiO_x-SiC-C/G硅碳復合材料。

本發明第二目的在于，提供一種所述的SiO_x-SiC-C/G硅碳復合材料的制備方法；特別是涉及一種利用廢碳渣(本發明也稱為廢舊負極活性材料、廢石墨) 制備所述的SiO_x-SiC-C/G硅碳復合材料方法。

本發明第三目的在于，提供一種所述的SiO_x-SiC-C/G硅碳復合材料的應用。

本發明第四目的在于，提供一種包含所述的SiO_x-SiC-C/G硅碳復合材料的鋰離子電池。

一種SiO_x-SiC-C/G硅碳復合材料，包含石墨內核，以及在石墨內核表面逐層原位包覆的SiO_x層、SiC層和無定型碳層。