[發明專利]核殼式硅碳復合材料、制備方法及應用

有效

• 申請號: 202110055092.3
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112786854B
• 公開（公告）日: 2022-09-30
• 發明（設計）人: 賀艷兵;王鵬;陳振;游從輝;王翠翠;何遠標;謝偉森;呂偉;康飛宇
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳國際研究生院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 深圳市鼎言知識產權代理有限公司 44311
• 代理人: 曾昭毅;王娟

本發明提供了一種核殼式硅碳復合材料，包括硅碳復合顆粒，所述硅碳復合顆粒包括石墨和吸附于所述石墨表面的硅納米顆粒，所述核殼式硅碳復合材料還包括包覆于所述硅納米顆粒表面的第一碳包覆層以及至少一第二碳包覆層，所述第一碳包覆層和所述第二碳包覆層采用經過表面改性劑處理的混合碳源與所述硅納米顆粒混合后，所述表面改性劑使得所述第一碳包覆層和所述第二碳包覆層極性改變，并相互排斥，所述第一碳包覆層對所述硅納米顆粒具有吸附性。本發明提供的所述核殼式硅碳復合材料具有較低的體積膨脹率和較好的循環性能。本發明還提供了所述核殼式硅碳復合材料的制備方法以及所述核殼式硅碳復合材料的應用。

技術領域

本發明涉及鋰電池領域，尤其涉及一種核殼式硅碳復合材料、所述核殼式硅碳復合材料的制備方法及所述核殼式硅碳復合材料的應用。

背景技術

負極材料作為鋰離子電池的主要組件構成之一，其作用不可或缺。硅由于理論比容量高(4200mAh/g)、儲量豐富，來源廣泛以及價格低廉等優點，在鋰離子電池中具有廣泛的應用。然而，在電化學的脫/嵌鋰過程中，硅通常產生嚴重的體積膨脹率(370％)，致使集流體與活性材料之間的接觸變差，同時硅也容易發生粉化，結果導致電極材料容量及電池循環性能崩塌式衰減。此外，硅本身的電導率較低以及與常規電解液匹配性程度較差也制約著硅在鋰電池中的進一步應用，目前更多的研究者采取復合法制備硅基復合材料來提高硅的循環性，而取得成效的是對硅表面進行碳包覆所制得硅碳復合材料，比如授權公號CN109360946A與CN105576210A分別采用多次混合包覆以及對硅外表包覆多層，兩專利公布號提到每次包覆硅之后需要破碎篩分，再次加碳源進行碳包覆，操作繁雜，且多次進行破碎時，不可避免的將包覆好硅的碳層破壞掉，而且每次起始熱處理也會增加能耗，在實際商業運用中不太理想。

發明內容

有鑒于此，有必要提供一種一次性混合且連續包覆的體積膨脹率較低的核殼式硅碳復合材料。

另，還有必要提供一種所述核殼式硅碳復合材料的制備方法。

另，還有必要提供一種所述核殼式硅碳復合材料在電極材料中的應用。

本發明提供一種核殼式硅碳復合材料，包括硅碳復合顆粒，所述硅碳復合顆粒包括石墨和吸附于所述石墨表面的硅納米顆粒，所述核殼式硅碳復合材料還包括包覆于所述硅納米顆粒表面的第一碳包覆層以及至少一第二碳包覆層，所述第一碳包覆層和所述第二碳包覆層由所述硅納米顆粒的表面向外依次設置，所述第一碳包覆層和所述第二碳包覆層采用經過表面改性劑處理的混合碳源與所述硅納米顆粒混合后，利用具備多個軟化、碳化點的所述混合碳源對所述硅納米顆粒進行連續分階段的碳包覆，所述表面改性劑使得所述第一碳包覆層和所述第二碳包覆層極性改變，并相互排斥，所述第一碳包覆層對所述硅納米顆粒具有吸附性，所述第一碳包覆層的孔隙率大于所述第二碳包覆層的孔隙率。

本發明還提供一種所述核殼式硅碳復合材料的制備方法，包括以下步驟：

將硅粉加入到溶劑中，研磨后得到第一混合物；

將石墨加入到所述第一混合物中，混合后得到第二混合物；

將經過表面改性劑處理的混合碳源加入到所述第二混合物中，混勻并融合后得到第三混合物，其中，所述混合碳源具有至少兩種軟化溫度以及至少兩種碳化溫度，所述混合碳源包括第一碳源以及第二碳源，所述第一碳源的粒徑以及所述第二碳源的粒徑分別為r₁和r₂，則r₁＝r₂/n，其中，n＝5～20，1μm≤r₁≤5μm；以及

對所述第三混合物進行分段熱處理，冷卻后得到所述核殼式硅碳復合材料。

本發明還提供一種所述核殼式硅碳復合材料在電極中的應用。