一种硅基复合材料及其制备方法、负极片和锂离子电池与流程

本发明属于锂离子电池，具体涉及一种硅基复合材料及其制备方法、负极片和锂离子电池。

背景技术：

1、近年来，得益于电子科技的飞速发展，锂离子电池的技术迎来了质的飞跃。目前，锂离子电池发展技术路线主要有高能量密度、快充技术等，而电池能量密度主要取决于正负极材料的比容量。硅具有高理论比容量、自然界丰富的存储量、成本低廉、安全无毒等优点，是满足发展高能量密度锂离子电池的关键材料。但硅材料在锂离子负极应用中存在一个难题：与锂结合形成锂硅合金产生较大体积膨胀，极片的膨胀收缩会影响电池循环寿命。当前，硅负极常用的改性手段是引入碳、氧等介质来缓解硅的体积膨胀，但效果有限。因此，如何解决体积膨胀问题成为硅材料推广应用的关键。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种具有核壳结构的硅基复合材料，通过将纳米碳微球颗粒附着于硅基颗粒表面，再将碳层包覆在硅基颗粒表面和纳米碳微球颗粒与硅基颗粒的间隙表面上，提升材料的动力学性能，解决了硅材料与与锂结合形成锂硅合金时体积膨胀的问题，提升了锂离子电池的循环寿命。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种硅基复合材料，所述硅基复合材料具有核壳结构，包括内核、附着于所述内核表面的中间层、以及包覆于所述中间层表面和所述内核与所述中间层的间隙表面的外壳层；

4、其中，所述内核材料为硅基颗粒，所述中间层的材料为纳米碳微球颗粒，所述外壳层为碳层。

5、优选地，所述硅基颗粒的粒径为1～10μm，所述纳米碳微球颗粒的粒径为100～200nm。

6、本发明还提供一种上述的硅基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将硅及其氧化物颗粒在球磨机中进行球磨，得到粒径均匀的硅基颗粒；

8、(2)将步骤(1)中得到的硅基颗粒和分散剂加入去离子水中进行超声，得到稳定的悬浮液；

9、(3)将有机碳源加入到步骤(2)中得到的悬浮液中，进行超声混合均匀，得到含有有机碳源的悬浮液；

10、(4)将步骤(3)中得到的有机碳源的悬浮液转移至高压反应釜中，进行水热反应，干燥后，得到硅基/纳米碳微球前驱体；

11、(5)将步骤(4)中得到的硅基/纳米碳微球前驱体在有机气氛下进行煅烧，即得到硅基复合材料。

12、优选地，步骤(1)中，所述球磨机的转速为800～1200rpm，进行球磨的时间为4～8h。

13、优选地，步骤(2)中，所述硅基颗粒、所述分散剂和所述去离子水的质量比为(13～16):(1～2):(83～86)。

14、优选地，步骤(3)中，所述有机碳源为葡萄糖、蔗糖中的至少一种。

15、优选地，步骤(4)中，所述水热反应的温度为150℃～250℃。

16、优选地，步骤(5)中，所述煅烧的温度为600～1000℃，升温速率为3～6k/min，气体流量为25～35ml/min。

17、本发明还提供一种负极片，包括上述的硅基复合材料。

18、本发明还提供一种锂离子电池，包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和所述负极片之间的隔膜，所述负极片上述的负极片。

19、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

20、(1)纳米碳微球颗粒附着于硅颗粒表面，缓解其体积膨胀，有利于提高充放电稳定性；

21、(2)最外层碳包覆层包覆纳米碳微球表面及其间隙表面，抑制硅颗粒体积膨胀的同时，防止电解液直接与硅颗粒接触，有利于提升循环性能；

22、(3)纳米碳微球颗粒间形成的间隙结构增大了颗粒表面与电解液的接触界面，有利于提升材料的动力学性能。

技术特征：

1.一种硅基复合材料，其特征在于，所述硅基复合材料具有核壳结构，包括内核、附着于所述内核表面的中间层、以及包覆于所述中间层表面和所述内核与所述中间层的间隙表面的外壳层；

2.根据权利要求1中所述的一种硅基复合材料，其特征在于，所述硅基颗粒的粒径为1～10μm，所述纳米碳微球颗粒的粒径为100～200nm。

3.一种根据权利要求1～2中任一项所述的硅基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3中所述的一种硅基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述球磨机的转速为800～1200rpm，进行球磨的时间为4～8h。

5.根据权利要求3中所述的一种硅基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硅基颗粒、所述分散剂和所述去离子水的质量比为(13～16):(1～2):(83～86)。

6.根据权利要求3中所述的一种硅基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述有机碳源为葡萄糖、蔗糖中的至少一种。

7.根据权利要求3中所述的一种硅基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述水热反应的温度为150℃～250℃。

8.根据权利要求3中所述的一种硅基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述煅烧的温度为600～1000℃，升温速率为3～6k/min，气体流量为25～35ml/min。

9.一种负极片，其特征在于，包括权利要求1～8中任一项所述的硅基复合材料。

10.一种锂离子电池，其特征在于，包括正极片、负极片和间隔于所述正极片和所述负极片之间的隔膜，所述负极片为权利要求9中所述的负极片。

技术总结
本发明公开一种硅基复合材料及其制备方法、负极片和锂离子电池，该硅基复合材料具有核壳结构，包括内核、附着于内核表面的中间层、及包覆于中间层表面和内核与中间层的间隙表面的外壳层；内核材料为硅基颗粒，中间层的材料为纳米碳微球颗粒，外壳层为碳层；其制备方法是：将硅及其氧化物颗粒进行球磨，得到粒径均匀的硅基颗粒，将其和分散剂加入去离子水中进行超声，加入有机碳源，超声混合均匀，得到含有机碳源的悬浮液，转至高压反应釜中，进行水热反应，干燥后得到硅基/纳米碳微球前驱体，将前驱体在有机气氛下煅烧，即得到硅基复合材料。本发明的硅基复合材料能缓解硅基颗粒的体积膨胀，提升电池的充放电稳定性、循环性能和动力学性能。

技术研发人员：请求不公布姓名,陈晴川,梁东建,葛鸽
受保护的技术使用者：东莞维科电池有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13