硅碳复合材料及其制备方法、含该材料的锂离子电池技术

本发明专利技术提供一种硅碳复合材料及其制备方法、含该材料的锂离子电池，属于锂离子电池技术领域，其可解决现有的硅碳复合负极材料和由其制备的锂离子电池的循环性能差、导电性能低下的问题。本发明专利技术的复合材料的制备方法包括混料的步骤、二氧化硅包覆步骤、碳包覆步骤和脱二氧化硅层步骤。本发明专利技术的硅碳复合材料的制备方法利用预留的孔隙来容纳硅颗粒嵌锂过程中的体积膨胀，且在孔隙中预先分散导电网络碳材料，提高了硅碳复合材料的导电性，达到减缓甚至消除电化学活性物质因体积膨胀而粉化脱落的现象，有效延长硅碳复合材料的循环寿命。本发明专利技术的硅碳复合材料是由上述方法制备的。本发明专利技术的锂离子电池包括上述硅碳复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种锂离子电池材料及其制备方法、含该材料的锂离子电池。
技术介绍
目前，生产使用的锂离子电池主要采用石墨化碳为负极材料，但材料的储锂容量不高。就石墨基负极材料来说，其较大的层状结构空隙既为锂的储存提供了场所，也决定了该材料的低理论比容量(约372mAh/g)的特性。因此，开发新型的高容量和高倍率负极材料具有很高的研究和利用价值。较长时间以来，锂合金作为可替代的负极材料而倍受关注，硅基材料和锡基材料就由于其高的质量比容量(硅基材料和锡基材料的理论比容量分别为4200mAh/g和990mAh/g)而成为研究热点，特别是硅基材料。然而充放电过程L1-Si电极严重的体积效应和粉化脱落降低了电池的效率和循环性能。开发含硅的复合材料已成为人们研究的重点，研究思路一般将硅与其它非活性的金属(如Fe、Al、Cu等)形成合金(文钟晟、杨军、刘宇等，锂离子电池负极用硅铝合金/碳复合材料及其制备方法，中国专利申请号:CN03116070.0)，或将材料均匀分散到其它活性或非活性材料中形成复合材料(如S1-C、S1-TiN等)(杨军、文钟蔑、刘宇等,锂离子电池负极用高比容量的娃碳复合材料及制备方法，中国专利申请号:CN02112180.X)，可以一定程度上改善其循环稳定性。上述方法虽然在一定程度上缓解了硅基负极材料的容量衰减，但其机理都是简单的物理复合或高温碳包覆，都不能从根本上抑制充放电过程中的体积效应，在经过多次循环后，容量又将开始迅速衰减。因此，有必要开发一种工艺简单、且能有效抑制硅的体积效应的高容量硅基负极材料的制备工艺。专利技术内容本专利技术的目的是解决 现有硅碳复合材料和由其制备的锂离子电池的循环性能、导电性能低下的问题，提供一种循环性能、导电性能优良的硅碳复合材料的制备方法。解决本专利技术技术问题所采用的技术方案是一种硅碳复合材料的制备方法，所述制备方法包括:I)混料步骤:将硅粉和导电碳材料加入到硅酸钠溶液进行混料，得到混合物；2) 二氧化硅包覆步骤:向步骤I)得到的混合物加入无机酸反应得到二氧化硅包覆的硅-导电碳网络复合材料；3)碳包覆步骤:将步骤2)得到的二氧化硅包覆的硅-导电碳网络复合材料用高分子聚合物在加热下进行碳包覆；4)脱二氧化硅层步骤:将步骤3)得到的经过二氧化硅和碳包覆的硅-导电碳网络复合材料用氢氟酸进行脱二氧化硅层，获得硅碳复合材料。本专利技术通过利用预留的孔隙来容纳硅颗粒嵌锂过程中的体积膨胀，且在孔隙中预先分散导电网络碳材料，提高了硅碳复合材料的导电性，达到减缓甚至消除电化学活性物质因体积膨胀而粉化脱落的现象，有效延长硅碳复合材料的循环寿命；且导电网络更有利于锂离子的快速传导，提高了硅碳复合材料的导电性；同时合成工艺简单，易于实施。优选的是，在所述的混料步骤中，所述的混料为超声分散lh_4h，硅粉与硅酸钠的质量比为1: (5-10)，导电碳材料与硅粉的质量比为1: (10-20)。优选的是，在所述的混料步骤中，所述的导电碳材料为石墨烯、碳纳米管、气相生长碳纤维、乙炔黑、膨胀石墨、石墨中的任意一种或几种。优选的是，在二氧化硅包覆步骤中，所述的反应时间为2h_4h，所述的无机酸为盐酸或硫酸。优选的是，在碳包覆步骤中，所述的高分子聚合物为聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸、聚丙烯腈、酚醛树脂、浙青、葡萄糖、蔗糖中的任意一种或几种。优选的是，在碳包覆步骤中，所述的高分子聚合物与二氧化硅包覆的硅-导电碳网络复合材料的质量比为1: (1-3)，所述的碳包覆的加热温度为700°C _900°C。优选的是，在脱二氧化硅层步骤中，所述的氢氟酸的质量浓度为5%_40%，反应时间为lh-lOh，氢氟酸与硅酸钠的物质 的量比为(4-10): I。优选的是，在脱二氧化硅层步骤中，所述的氢氟酸的质量浓度为10%_20%，反应时间为2h-8h。本专利技术所要解决的技术问题还包括，针对现有的硅碳复合材料循环性能、导电性能低下问题，提供一种循环性能、导电性能优良的硅碳复合材料。解决本专利技术技术问题所采用的技术方案是一种硅碳复合材料，该硅碳复合材料是通过上述方法制备的。由于本专利技术的硅碳复合材料是通过上述方法制备的，其循环性能、导电性能较好。本专利技术所要解决的技术问题还包括，针对现有的由硅碳复合材料制备的锂离子电池循环性能、导电性能低下问题，提供一种循环性能、导电性能优良的锂离子电池。解决本专利技术技术问题所采用的技术方案是一种锂离子电池，其负极含有上述的硅碳复合材料。由于本专利技术的锂离子电池的负极含有上述硅碳复合材料，故其循环性能、导电性能较好。附图说明图1为本专利技术实施例1所制备的硅碳复合材料的制备方法的示意流程图。图2为本专利技术实施例1所制备的硅碳复合材料的放电循环性能曲线。具体实施例方式为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。实施例1如图1所示，本实施例提供一种硅碳复合材料的制备方法，其包括以下步骤:I)混料步骤:将硅粉和作为导电碳材料的石墨烯加入质量浓度为40%的硅酸钠溶液进行超声波分散2h，得到分散的混合物，其中，硅粉与硅酸钠的质量比为1: 5，石墨烯与硅粉的质量比为1: 15，硅粉的平均粒径为0.1nm ；2) 二氧化硅包覆步骤:在搅拌下，向步骤I)得到的分散的混合物加入的过量的浓度为0.5M的盐酸反应2h，过滤洗涤得到二氧化硅包覆的硅-导电碳网络复合材料；3)碳包覆步骤:将步骤2)得到的二氧化硅包覆的硅-导电碳网络复合材料加入到聚氯乙烯溶液中，其中二氧化硅包覆的硅-导电碳网络复合材料与聚氯乙烯的质量比为1: 1，搅拌均匀后蒸干，所得固体研细后放入瓷舟，氩气保护下升温到800°C，在此温度下恒温3h，得到经碳包覆的二氧化硅包覆的硅-导电碳网络复合材料。4)脱二氧化硅层步骤: 将步骤3)得到的经过二氧化硅和碳包覆的硅-导电碳网络复合材料加入到质量浓度为20%的氢氟酸溶液中，其中，氢氟酸与硅酸钠的物质的量比为4: 1，搅拌反应10h，过滤并用去离子水充分洗涤，干燥后即得到硅碳复合材料。可选的，可继续用所制备的硅碳复合材料制备实验电池用极片和测试电池。制备实验电池用极片的过程为:将硅碳复合材料与导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF(聚偏氟乙烯)按照质量比8: I: I混合均匀，用NMP (1-甲基-2-吡咯烷酮)将此混合物调制成浆料，均匀涂覆于铜箔上，放入烘箱中，在100°C下烘干24小时，取出冲成极片，制得实验电池用极片。制备测试电池的过程为:以上述制备的极片为实验电池用极片，以锂片为对电极，电解液为浓度为1.5mol/L的LiPF6的溶液，其溶剂为EC (乙基碳酸酯)+DMC (二甲基碳酸酯)，其中EC (乙基碳酸酯)和DMC (二甲基碳酸酯)的体积比为I: 1，隔膜为celgard2400膜，在充满氩气气氛的手套箱内装配成CR2025型扣式电池。本实施例制备的硅碳复合材料的循环性能(恒流0.1C下)测试数据见图2，本实施例制备的硅碳复合材料的首次放电比容量达到了 1207mAh/g，100次循环后仍然保持在967mAh/g。实施例2本实施例提供一种硅碳复合材料的制备方法，其包括以下步骤:I)混料步骤:将硅粉和作为导电碳材料的碳纳米管、石墨(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：1）混料步骤：将硅粉和导电碳材料加入到硅酸钠溶液进行混料，得到混合物；2）二氧化硅包覆步骤：向步骤1）得到的混合物加入无机酸反应得到二氧化硅包覆的硅?导电碳网络复合材料；3）碳包覆步骤：将步骤2）得到的二氧化硅包覆的硅?导电碳网络复合材料用高分子聚合物在加热下进行碳包覆；4）脱二氧化硅层步骤：将步骤3）得到的经过二氧化硅和碳包覆的硅?导电碳网络复合材料用氢氟酸进行脱二氧化硅层，获得硅碳复合材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱广燕，赵志刚，陈效华，
申请(专利权)人：奇瑞汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：