复合材料、制备方法及包含其的锂离子电池负极材料和锂离子电池技术

本发明专利技术提供了一种复合材料、制备方法及包含其的锂离子电池负极材料和锂离子电池，涉及新材料或储能材料技术领域。所述复合材料主要由至少一层的纳米硅层、至少一层的纳米碳层包覆于内核表面组成；其中，所述纳米硅层、纳米碳层在复合材料中相邻两层不相同，所述纳米碳层设置于复合材料的最外层。本发明专利技术通过上述层状结构的设置，在加入纳米级硅类原料提高复合材料能量密度的同时，有效缓解了硅在嵌入和脱嵌锂离子过程中的体积膨胀的问题；而且上述纳米碳层设置于复合材料最外层的设置，也可以有效保护本申请的纳米硅层不和电解液直接接触，进而也缓解了现有的纳米硅材料与锂离子电池电解液接触后不稳定导致循环性能差的问题。

【技术实现步骤摘要】
复合材料、制备方法及包含其的锂离子电池负极材料和锂离子电池
本专利技术涉及新材料或储能材料
，尤其是涉及一种复合材料、制备方法及包含其的锂离子电池负极材料和锂离子电池。
技术介绍
锂离子二次电池，是利用正负极材料充许锂离子嵌入和脱嵌的性质，通过与隔膜、电解液、电池壳等组件组合，形成可允许充放电的电子器件。正负极材料可允许嵌入和脱嵌锂离子的数量决定了正负极材料和锂离子二次电池的容量。近年来，随着锂离子二次电池的迅速发展，已经广泛应用于手机、电脑、可穿戴设备、电动汽车、大巴等电子消费类、动力运输以及能源储存类设备，特别是近几年随着手机和电动汽车的快速发展，对锂离子二次电池的重量和续航提出了新的要求。现有商业化的锂离子电池负极材料是碳类负极材料，主要是人造石墨和天然石墨，以及一部分硬碳和软碳材料，除此以外还有部分钛酸锂材料。碳类负极材料的理论容量为372mAh/g；同时，目前广受关注的锡类合金、硅及其氧化物、以及硅系合金拥有更高的理论容量，尤其是硅类材料，硅的理论容量高达4200mAh/g，是碳类负极材料的十倍，拥有良好的应用前景。虽然硅的理论容量很高，但硅在嵌入和脱嵌锂离子过程中会发生巨大的体积变化。因此，目前硅类负极材料研究较多的是将硅的尺寸变小，进而减小硅嵌脱锂离子过程中的体积效应，或将微米硅的外层包覆一层阻隔层，减小硅表面与电解液直接接触的机会，让材料的循环性能更加稳定。然而制备纯度高、粒径小的微米硅甚至纳米硅，一般需要采用球磨、砂磨等破碎方式获得小颗粒硅粉，能耗非常大，不利于工业化生产；或是用气相的方式获得纳米硅，然后将硅粉和其它材料相混合，制得硅碳复合材料，这种微米硅或纳米硅在复合过程中的分散技术极为关键，很难获得分散非常均匀的复合材料，而且微米硅或纳米硅在制备、储存和使用过程中极易氧化，造成材料性能下降和不稳定的负面影响。因此，有鉴于现有的硅类材料在锂离子电池负极材料中的应用并不理想的问题，研究开发出一种具有能量密度高、循环性能稳定的硅基锂离子电池负极材料，以缓解现有硅基锂离子电池负极材料的上述问题，已变得十分必要和迫切。有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种复合材料，所述复合材料有效缓解了硅在嵌入和脱嵌锂离子过程中的体积膨胀以及现有的纳米硅材料与锂离子电池电解液接触后不稳定导致循环性能差的问题。本专利技术的第二目的在于提供一种复合材料的制备方法。本专利技术的第三目的在于提供一种锂离子电池负极材料，该锂离子电池负极材料具有能量密度高、循环性能稳定的优势，有效缓解了现有含硅锂离子电池负极材料能量密度低、循环性能差的问题。本专利技术的第四目的在于提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述锂离子电池负极材料。本专利技术的第五目的在于提供一种包括上述锂离子电池的电子装置、电动工具、电动车辆或电力储存系统。本专利技术提供的一种复合材料，所述复合材料主要由至少一层的纳米硅层、至少一层的纳米碳层包覆于内核表面组成；其中，所述纳米硅层、纳米碳层在复合材料中相邻两层不相同，所述纳米碳层设置于复合材料的最外层；所述内核包括实心内核和/或空心内核，所述实心内核主要由基体材料组成。进一步的，所述复合材料中，所述基体材料的平均粒径为0.01～30μm，优选为0.05～20μm；进一步的，所述的复合材料中，所述基体材料的平均粒径为0.01-5μm，优选为0.03～3μm，更优选为0.05～1μm。优选地，所述基体材料包括天然石墨、人造石墨、膨胀石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、碳黑、碳纳米管、石墨烯、锡的氧化物、锡的复合氧化物、一氧化硅、二氧化钛、二氧化硅、氧化钙、碳酸钙、氧化铝、氧化镁或碳酸镁中的任意一种。进一步的，所述纳米硅层的厚度为1～1000nm，优选为5～200nm；所述纳米碳层的厚度为1～100nm，优选为2～50nm。进一步的，所述复合材料由内至外依次包括：实心内核、纳米硅层和纳米碳层；优选地，所述复合材料由内至外依次包括：实心内核、第一纳米硅层、第一纳米碳层、第二纳米硅层、第二纳米碳层；优选地，所述复合材料由内至外依次包括：空心内核、第一纳米碳层、第一纳米硅层、第二纳米碳层。本专利技术提供的一种上述复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：提供实心内核，然后将至少一层的纳米硅层、至少一层的纳米碳层包覆于实心内核表面，得到复合材料；所述纳米硅层、纳米碳层在复合材料中相邻两层不相同，所述纳米碳层设置于复合材料的最外层；任选地，去除实心内核制备空心内核的步骤包括：使用酸性溶液将基体材料溶解，随后煅烧，制得不包含基体材料的空心复合材料；具体方法为：将复合材料与酸溶液或碱溶液进行混匀，随后固液分离，再通过洗涤和过滤将残留的溶液移除，最后通过干燥或焙烧的方式获得不含液体的具有空心内核的复合材料；优选地，所述纳米硅层采用气相沉积的方法进行包覆；优选地，所述纳米碳层采用气相沉积、液相包覆或固相包覆中的任意一种方法进行包覆。优选地，所述的去除实心内核制备空心内核所使用的酸溶液是盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、氢氟酸、甲酸、乙酸中的一种或两种以上的混合物；优选地，所述的去除实心内核制备空心内核所使用的碱溶液是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、氨水、氨基钠、甲醇钠中的一种或两种以上的混合物；本专利技术提供的一种包含上述复合材料的锂离子电池负极材料。进一步的，所述锂离子电池负极材料包括负极材料A、负极材料B和负极材料C；其中：所述负极材料A为上述复合材料；所述负极材料B主要由负极材料A和辅料混合后干燥制得；所述负极材料C包括负极材料B和纳米碳层a，所述纳米碳层a包覆于负极材料B表面。优选地，所述负极材料C包括负极材料B和纳米碳化硅层，所述纳米碳化硅层包覆于负极材料B表面。进一步的，所述负极材料B的平均粒径为2～50μm，优选为4～30μm；优选地，所述负极材料B中，负极材料A与辅料的质量比为1:0.02～0.6，优选为1:0.05-0.4；优选地，所述辅料包括填充料和粘结剂；更优选地，所述填充料包括微晶石墨、小鳞片石墨、土状石墨、膨胀石墨、碳纳米管、石墨烯和碳黑中的至少一种；更优选地，所述粘结剂包括酚醛树脂、煤焦油、沥青、蔗糖、果糖、羟甲基纤维素钠、淀粉、聚氯乙烯、聚乙烯吡咯烷酮和聚偏氟氯乙烯中的至少一种。进一步的，所述负极材料C中，所述纳米碳层a的厚度为1～500nm，优选为2～200nm；优选地，所述负极材料C中，所述纳米碳化硅层的厚度为1～500nm，优选为2～200nm。本专利技术提供的一种锂离子电池，所述锂离子电池包括上述锂离子电池负极材料。本专利技术提供的一种包括上述锂离子电池的电子装置、电动工具、电动车辆或电力储存系统。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的复合材料，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料主要由至少一层的纳米硅层、至少一层的纳米碳层包覆于内核表面组成；/n其中，所述纳米硅层、纳米碳层在复合材料中相邻两层不相同，所述纳米碳层设置于复合材料的最外层；/n所述内核包括实心内核和/或空心内核，所述实心内核主要由基体材料组成。/n

【技术特征摘要】
1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料主要由至少一层的纳米硅层、至少一层的纳米碳层包覆于内核表面组成；
其中，所述纳米硅层、纳米碳层在复合材料中相邻两层不相同，所述纳米碳层设置于复合材料的最外层；
所述内核包括实心内核和/或空心内核，所述实心内核主要由基体材料组成。


2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料中，所述基体材料的平均粒径为0.01～30μm，优选为0.05～20μm；
优选地，所述基体材料包括天然石墨、人造石墨、膨胀石墨、硬碳、软碳、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、碳黑、碳纳米管、石墨烯、锡的氧化物、锡的复合氧化物、一氧化硅、二氧化钛、二氧化硅、氧化钙、碳酸钙、氧化铝、氧化镁或碳酸镁中的任意一种；
优选地，所述纳米硅层的厚度为1～1000nm，优选为5～200nm；
优选地，所述纳米碳层的厚度为1～100nm，优选为2～50nm。


3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料由内至外依次包括：实心内核、纳米硅层和纳米碳层；
优选地，所述复合材料由内至外依次包括：实心内核、第一纳米硅层、第一纳米碳层、第二纳米硅层、第二纳米碳层；
优选地，所述复合材料由内至外依次包括：空心内核、第一纳米碳层、纳米硅层、第二纳米碳层。


4.一种根据权利要求1～3任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
提供实心内核，然后将至少一层的纳米硅层、至少一层的纳米碳层包覆于实心内核表面，得到复合材料；所述纳米硅层、纳米碳层在复合材料中相邻两层不相同，所述纳米碳层设置于复合材料的最外层；
任选地，去除实心内核制备空心内核的步骤包括：使用酸性溶液或碱溶液将复合材料溶解，随后煅烧，制得不包含基体材料的空心复合材料；
优选地，所述纳米硅层采用气相沉积的方法进行包覆；
更优选地，所述纳米硅层包覆的气相沉积原料包括甲硅烷、一氯氢硅、二氯氢硅和三氯氢硅中的任意一种，优选为甲硅烷、三氯氢硅；
优选地，所述纳米碳层采用气相沉积、...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏小波，马井阳，靳辉，程丽楠，魏洪炎，
申请(专利权)人：北京金博威科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11