硅碳复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及锂离子电池材料，具体涉及硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着消费类电子、电动汽车和电化学储能行业的快速发展，锂离子电池技术也不断更新迭代，高比能锂离子电池也渐渐成为潮流，为了进一步提高锂离子电池的能量密度，需要以电池材料体系为基础重新设计。

2、锂离子电池的商业化负极材料主要是碳材料，其具有低且平稳的工作电位和良好的循环性能，但是碳材料的比容量偏低(例如，石墨理论比容量为372mah/g)，这限制了其作为高能量密度电源的应用。硅由于具有较大的理论比容量(4200mah/g)和较低的嵌锂电位而引起广泛关注。但硅材料在高程度脱/嵌锂下，存在着严重的体积效应，容易导致材料的结构崩塌和活性物质的脱落，使得循环稳定性大大下降。因此，在保证硅材料高比容量的同时，提高其循环性能是研究的重点。通过将硅和碳元素互补制备出硅碳复合材料，硅碳复合材料按照硅与碳的分布结构分为包覆型、嵌入型和分子接触型，其中分子接触型是一种较为理想的分散体系，纳米级硅离子高度分散在碳层中，能够最大程度的克服硅体积膨胀，提高电池的循环稳定性和使用寿命。

3、目前，常见应用的硅基材料主要是纳米硅碳和氧化亚硅材料，而各大材料厂家主要开发和量产的是循环性能较好的氧化亚硅材料，但是氧化亚硅首效低，还需进一步通过预锂或者预镁方式来提高材料的首次库伦效率。纳米硅碳因较高的成本以及实际应用中面临的碳包覆、浆料分散等问题仍未规模化使用。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的比容量低和首次库伦效率低的问题，提供硅碳复合材料及其制备方法和应用，该硅碳复合材料具有较高的比容量，且在保证硅碳复合材料高比容量的同时，提高电池的循环稳定性和使用寿命。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种硅碳复合材料，该硅碳复合材料包括：碳硅复合体、包覆在所述碳硅复合体外的硅包覆层和包覆在所述硅包覆层外的碳包覆层，其中，所述碳硅复合体包括多孔碳基底和分布在所述多孔碳基底孔内的硅颗粒。

3、本发明第二方面提供一种硅碳复合材料的制备方法，该制备方法包括：

4、(1)将生物质进行无氧烧结，得到碳材料；

5、(2)将所述碳材料与含硅前驱体进行第一反应，得到复合材料前体；

6、(3)将所述复合材料前体进行还原反应，得到复合材料；

7、(4)将所述复合材料进行碳包覆，得到硅碳复合材料。

8、本发明第三方面提供前述的硅碳复合材料或前述的制备方法制得的硅碳复合材料在制备锂离子电池负极材料中的应用。

9、本发明第四方面提供一种负极浆料，该负极浆料包括活性材料、导电剂、粘结剂和溶剂，其中，所述活性材料为前述的硅碳复合材料或前述的制备方法制得的硅碳复合材料。

10、本发明第五方面提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括前述的负极浆料制备的负极极片。

11、通过上述技术方案，本发明所取得的有益技术效果如下：

12、(1)本发明的硅碳复合材料包括碳硅复合体、包覆在所述碳硅复合体外的硅包覆层和包覆在所述硅包覆层外的碳包覆层，其中，所述碳硅复合体包括多孔碳基底和分布在所述多孔碳基底孔内的硅颗粒；该结构的硅碳复合材料有效地抑制了硅材料在电池学脱嵌锂的过程中的体积膨胀问题，还有效的提高了硅材料的离子电导和电子电导。

13、(2)本发明提供的硅碳复合材料在作为锂离子电池负极材料时表现出高的可逆脱锂比容量、高的首次库伦效率、低的颗粒体积膨胀率，更加稳定的循环性能，在锂离子电池领域具有广阔的应用前景。

14、(3)本发明的制备方法工艺简单、易于调控且原材料来源广泛，有利于工业化生产，有效地解决了目前锂电行业内纳米单质硅材料的合成、碳包覆、浆料分散等商业化应用问题，并且有效地提高了材料的首次电化学库伦效率和结构稳定性。

技术特征：

1.一种硅碳复合材料，其特征在于，该硅碳复合材料包括：碳硅复合体、包覆在所述碳硅复合体外的硅包覆层和包覆在所述硅包覆层外的碳包覆层，其中，所述碳硅复合体包括多孔碳基底和分布在所述多孔碳基底孔内的硅颗粒。

2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其中，以所述硅碳复合材料的总质量计，所述碳硅复合体的质量含量为45-78％，所述硅包覆层的质量含量为20-50％，所述碳包覆层的质量含量为2-5％；其中，所述硅颗粒的质量含量占所述碳硅复合体的5-20％；

3.根据权利要求1或2所述的硅碳复合材料，其中，所述硅碳复合材料的形状包括类球形、鹅卵石形和无规则的多边形中的至少一种。

4.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述生物质选自秸秆、树叶和树皮中的一种或多种。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其中，步骤(1)中，所述无氧烧结的条件包括：在真空或惰性气氛下进行无氧烧结，所述无氧烧结温度为500-1000℃，所述无氧烧结时间为1-5h；

7.根据权利要求4-6中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(2)中，所述含硅前驱体为硅酸乙酯；

8.根据权利要求4-7中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(2)中，在将所述碳材料进行所述第一反应之前，还包括：将所述碳材料进行酸洗，然后再烘干；

9.根据权利要求4-8中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(3)中，所述还原反应的条件包括：在氩氢混合气体气氛下进行反应，反应温度为1000-1200℃，反应时间为1-6h；

10.根据权利要求4-9中任意一项所述的制备方法，其中，步骤(4)中，所述碳包覆采用气相包覆方式进行表面碳包覆；

11.权利要求1-3中任意一项所述的硅碳复合材料或权利要求4-10中任意一项所述的制备方法制得的硅碳复合材料在制备锂离子电池负极材料中的应用。

12.一种负极浆料，其特征在于，该负极浆料包括：活性材料、导电剂、粘结剂和溶剂，其中，所述活性材料为权利要求1-3中任意一项所述的硅碳复合材料或权利要求4-10中任意一项所述的制备方法制得的硅碳复合材料。

13.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池包括由权利要求12的负极浆料制备的负极极片；

技术总结
本发明涉及锂离子电池材料技术领域，公开了硅碳复合材料及其制备方法和应用。该硅碳复合材料包括：碳硅复合体、包覆在所述碳硅复合体外的硅包覆层和包覆在所述硅包覆层外的碳包覆层，其中，所述碳硅复合体包括多孔碳基底和分布在所述多孔碳基底孔内的硅颗粒。该结构的硅碳复合材料有效地抑制了硅材料在电池学脱嵌锂的过程中的体积膨胀问题，还有效的提高了硅材料的离子电导和电子电导。本发明的硅碳复合材料在作为锂离子电池负极材料时表现出高的可逆脱锂比容量、高的首次库伦效率、低的颗粒体积膨胀率，更加稳定的循环性能，在锂离子电池领域具有广阔的应用前景。

技术研发人员：许家齐,侯雄雄,俞会根
受保护的技术使用者：北京卫蓝新能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13