一种硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池与流程

本发明属于电池，具体涉及一种硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池。

背景技术：

1、锂电池主要是由正极、负极、隔膜三大部分组成，其中任何一部分的性能改变都间接的会对整体电池造成影响。目前主流的锂电池负极材料是石墨，但是石墨理论比容量较低，为372mah/g，现在的石墨材料基本已经开发到极限容量。

2、目前，锂电池负极的主要研究方向为更换基底材料或在碳基材料的基础上加入其他高容量材料来提高锂电池的性能。通过沥青硬质结构将硅碳材料限制在内核中，尽管一定意义上解决了硅体积膨胀问题，但是硅的相对不膨胀不能为负极提供更多的有效容量，并且硬质碳结构一定意义上可以缓冲住硅体积膨胀的问题，但是若添加了过多的硅，由于沥青材料的硬度较低，不能完全抑制硅的膨胀，可能会导致硅体积膨胀而导致的结构塌陷等损坏材料的问题，这样会造成可逆容量的极速衰减，减少材料的循环性能。

3、因此，如何高效地抑制硅的体积膨胀，提高硅碳负极材料的容量是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池。本发明构建了一种新型的硅碳负极材料，将硅基材料的至少一部分嵌入到平均孔径为400-1000nm的造孔后的mofs材料的孔道中，不仅充分发挥了硅材料的容量优势，而且大孔径的存在进一步提高了硅碳负极材料的容量，抑制了硅的体积膨胀；并且经过碳层包覆的方式将未嵌入到孔道中的裸露的硅基材料包裹住，避免使之与电解液直接接触，提高了材料的结构稳定性和导电性。因此，本发明构建的硅碳负极材料具有优异的容量性能和库伦效率，还具有较低的eis(电化学阻抗)，以及优异的cv(循环)性能和倍率性能。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种硅碳负极材料，所述硅碳负极材料包括硅基材料和造孔后的mofs材料组成的复合内核，以及包覆在所述复合内核表面的碳层；

4、所述硅基材料的至少一部分嵌入到所述造孔后的mofs材料的孔道中；

5、所述造孔后的mofs材料的平均孔径为400-1000nm。

6、本发明构建了一种新型的硅碳负极材料，将硅基材料的至少一部分嵌入到平均孔径为400-1000nm的造孔后的mofs材料的孔道中，不仅充分发挥了硅材料的容量优势，而且大孔径的存在进一步提高了硅碳负极材料的容量，抑制了硅的体积膨胀；并且经过碳层包覆的方式将未嵌入到孔道中的裸露的硅基材料包裹住，避免使之与电解液直接接触，提高了材料的结构稳定性和导电性。因此，本发明构建的硅碳负极材料具有优异的容量性能和库伦效率，还具有较低的eis，以及优异的cv性能和倍率性能。

7、作为本发明一种优选的技术方案，所述造孔后的mofs材料包括hkust-1。

8、优选地，所述造孔后的mofs材料的平均孔径为500-800nm。

9、优选地，所述造孔后的mofs材料的孔隙率为10-60％，优选为20-40％。

10、优选的，所述硅基材料包括纳米硅、微米硅或硅氧化物中的任意一种或至少两种的组合。

11、优选地，所述硅基材料的粒径d50为20-200nm，优选为20-60nm。

12、优选地，所述硅基材料和所述造孔后的mofs材料的质量比为1:(2-5)。

13、作为本发明一种优选的技术方案，所述碳层的厚度为100-1000nm，优选为200-500nm。

14、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的硅碳负极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

15、(1)将造孔后的mofs材料和硅基材料混合，加热，得到复合材料；

16、(2)将所述复合材料和碳源混合，进行碳化处理，得到所述硅碳负极材料。

17、优选地，步骤(1)所述加热的温度为80-100℃。

18、优选地，步骤(1)所述加热的时间为4-6h。

19、作为本发明一种优选的技术方案，步骤(1)所述造孔后的mofs材料采用如下方法进行制备，所述方法包括以下步骤：将有机配体、金属盐和造孔剂共混，得到造孔后的mofs材料。

20、作为本发明一种优选的技术方案，所述造孔剂为可溶性无机盐。

21、优选地，所述可溶性无机盐包括钠盐、钾盐、镁盐或铝盐中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述有机配体、造孔剂和金属盐的质量比为(0.5-1):(1-5):(0.5-1)。

22、优选地，所述共混的方式包括球磨。

23、优选地，所述球磨的时间为1-6h。

24、优选地，所述球磨的转速为100-400rpm。

25、优选地，所述球磨的球料比为(1-10):1。

26、作为本发明一种优选的技术方案，步骤(2)所述碳源包括有机碳源、石墨材料或多孔碳材料中的任意一种或至少两种的组合。

27、优选地，步骤(2)所述复合材料和所述碳源的质量比为1:(0.5-1.5)。

28、优选地，步骤(2)所述碳化处理的温度为80-100℃。

29、作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：

30、(ⅰ)按照(0.5-1):(1-5):(0.5-1)的质量比将均苯三甲酸、造孔剂和可溶性铜盐球磨混合，洗涤干燥后得到造孔后的mofs材料；

31、其中，球磨的时间为1-6h，球磨的转速为100-400rpm，球磨的球料比为(1-10):1；

32、(ⅱ)按照(2-5):1的质量比将所述造孔后的mofs材料和硅基材料在溶剂中混合，加热，过滤烘干后得到复合材料；

33、其中，加热的温度为80-100℃，加热的时间为4-6h；

34、(ⅲ)按1:(0.5-1.5)的质量比将所述复合材料和碳源混合，于80-100℃进行4-6h的碳化处理，得到所述硅碳负极材料。

35、本发明中，所述碳化处理可以采用旋蒸或者油浴的方式进行。

36、第三方面，本发明提供一种锂离子电池，所述锂离子电池的负极中包括如第一方面所述的硅碳负极材料。

37、本发明所述的数值范围不仅包括上述列举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

38、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

39、(1)本发明构建了一种新型的硅碳负极材料，将硅基材料的至少一部分嵌入到平均孔径为400-1000nm的造孔后的mofs材料的孔道中，不仅充分发挥了硅材料的容量优势，而且大孔径的存在进一步提高了硅碳负极材料的容量，抑制了硅的体积膨胀；并且经过碳层包覆的方式将未嵌入到孔道中的裸露的硅基材料包裹住，避免使之与电解液直接接触，提高了材料的结构稳定性和导电性。

40、(2)本发明构建的硅碳负极材料不仅具有优异的容量性能、循环性能和库伦效率，还具有较低的电化学阻抗，以及优异的倍率性能。