一种硅基复合材料及其应用的负极材料和锂离子电池的制作方法

本发明涉及锂离子电池领域，具体涉及了一种硅基复合材料，本发明还涉及了该硅基复合材料应用的负极材料和锂离子电池。

背景技术：

1、现在锂离子电池领域中的主流负极材料为石墨，但是石墨的容量较低，仅为375mah/g，到时电池的能量密度不理想。硅的理论容量为4200mah/g，是石墨容量的10倍以上，显然硅基负极材料可以有效降低电池的重量，提高电池的能量密度，因此，硅基负极材料已经成为锂离子电池负极材料的重要发展方向。

2、由于硅基负极材料存在明显的硅膨胀问题，为了抑制膨胀问题，目前被认为最优解决方案之一的是：采用以多孔碳颗粒作为载体，然后在多孔碳颗粒内外沉积纳米硅来制备硅基负极材料。

3、然后本申请人认为以上方案仍然存在以下缺点：

4、a、实际克容量的提升存在困难：由于多孔碳的实际贡献容量在200mah/g，提升整体克容量就必须沉积更多更厚的纳米硅，这样会进一步凸显了硅的膨胀问题。

5、b、多孔碳颗粒的稳定性：更高克容量的硅基负极材料则需要孔容更大、孔径更大的多孔碳颗粒，但这不利于多孔碳作为骨架的稳定性，不能达到多孔碳作为纳米硅的沉积载体的设计初衷，也就是说，这对于抵御硅膨胀会产生负面影响。

6、c、硅基负极材料中的单质碳元素会催化单质硅与电解液中氟元素的反应，加速硅负极材料的劣化，缩短电池的使用寿命。

7、因此，本申请人希望寻求技术方案来解决以上技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种硅基复合材料及其应用的负极材料和锂离子电池，可以得到具有明显更高容量和更佳循环性能表现的锂离子电池。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种硅基复合材料，其内核结构包括碳化硅载体以及沉积在所述碳化硅载体上的纳米硅，其中，至少部分纳米硅与所述碳化硅载体中的碳化硅呈嵌合状。

4、优选地，所述纳米硅占所述硅基复合材料的重量份比例不低于20wt％，优选为35-55wt％，更优选为33-50wt％，更进一步优选为35-50wt％。

5、优选地，所述碳化硅载体包括多孔碳化硅颗粒和/或含有碳化硅骨架的复合材料和/或碳化硅与其他导电材料复合形成的复合骨架；为了使得纳米硅与碳化硅载体进行稳定嵌合，进一步优选地，所述碳化硅载体采用多孔碳化硅颗粒，该多孔碳化硅颗粒可以从市场上直接采购得到；当然地，也可以采用其他结构的碳化硅载体，例如采用纳米碳化硅复合烧结形成的碳化硅骨架，也可以采用在碳骨架上沉积得到的碳化硅骨架，只要是含有碳化硅骨架(可嵌合纳米硅)的复合材料或采用碳化硅与其他导电材料复合形成得到的复合骨架均可作为本申请的碳化硅载体，当然地，多孔碳化硅颗粒属于更为优选的碳化硅载体。

6、为了进一步利于纳米硅稳定可靠地嵌合在多孔碳化硅颗粒中，更进一步优选地，所述多孔碳化硅颗粒的外径为0.5-100微米，优选为1-50微米；和/或所述多孔碳化硅颗粒的孔径为0.5-200纳米，优选为0.8-150纳米，更优选为0.8-50纳米，更进一步优选为0.8-30纳米，再更进一步优选为1-20纳米；优选地，所述多孔碳化硅颗粒中的孔容占其体积的比例为20-85％，优选为30-75％，更优选为40-70％，更进一步优选为45-70％；和/或所述多孔碳化硅颗粒的比表面积不小于50m2/g，优选为100-1500m2/g，更优选为150-1000m2/g，更进一步优选为200-1000m2/g，再更进一步优选为220-1000m2/g。

7、优选地，在制备本申请的内核结构时，通过向所述碳化硅载体(位于化学气相沉积设备中，化学气相沉积设备具体可以具体选用流化床或回转床等)通入硅源气体，通过化学气相沉积法得到沉积在所述碳化硅载体上的纳米硅；在具体实施时，可以采用任意公知的硅源气体，例如采用甲硅烷或乙硅烷或氯代硅烷或其他的硅源气体等，本申请对此不做唯一限定。

8、优选地，在实施本申请时，还可以在通入所述硅源气体的过程中，间断通入碳源气体(可采用任意公知的碳源气体，例如采用炔烃类气体)，使得沉积得到的纳米硅中进一步嵌合有碳层，最终使得纳米硅沉积层的结构稳定性得到进一步增强。

9、优选地，所述硅基复合材料还包括作为外壳结构的碳包覆层；所述碳包覆层占所述硅基复合材料的重量份比例不高于8wt％，更优选为不高于6wt％，进一步优选地，将所述碳包覆层占所述硅基复合材料的重量份比例控制在2-5wt％的范围内。优选地，可以采用任意公知的方法来制备作为外壳结构的碳包覆层，例如可具体采用碳源物质(例如采用沥青、酚醛、糠醇等树脂，也可以采用其他碳源组分)通过气相或液相或固相等包覆方式，经高温碳化处理后，实现在内核结构上包覆得到碳包覆层结构，通过碳包覆层结构可以防止后续在电池应用时电解液进入硅基复合材料内部腐蚀硅。

10、优选地，一种锂离子电池的负极材料，包括活性原料，所述活性原料包括如上所述的硅基复合材料；在具体实施时，采用其他公知的添加组分与活性原料混合后得到锂离子电池的负极材料，本申请对此没有特别限制。

11、优选地，一种锂离子电池，包括负极极片，所述负极极片采用如上所述的负极材料制成；所述锂离子电池在充放电倍率为0.1c的条件下，其充电比容量不小于1500mah/g，优选为1500-3000mah/g，更优选为1800-2800mah/g，更进一步优选为1900-2600mah/g。

12、本申请通过在碳化硅载体上沉积纳米硅得到容量高以及结构稳定的碳化硅-纳米硅复合体，将该碳化硅-纳米硅复合体应用作为锂离子电池的负极材料后，惊讶地发现可以得到具有明显更高容量和更佳循环性能表现的锂离子电池。

技术特征：

1.一种硅基复合材料，其特征在于，其内核结构包括碳化硅载体以及沉积在所述碳化硅载体上的纳米硅，其中，至少部分纳米硅与所述碳化硅载体中的碳化硅呈嵌合状。

2.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述纳米硅占所述硅基复合材料的重量份比例不低于20wt％，优选为30-55wt％，更优选为33-50wt％。

3.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述碳化硅载体包括多孔碳化硅颗粒和/或含有碳化硅骨架的复合材料和/或碳化硅与其他导电材料复合形成的复合骨架。

4.根据权利要求3所述的硅基复合材料，其特征在于，所述多孔碳化硅颗粒的外径为0.5-100微米，优选为1-50微米；和/或所述多孔碳化硅颗粒的孔径为0.5-300纳米，优选为0.8-150纳米。

5.根据权利要求3所述的硅基复合材料，其特征在于，所述多孔碳化硅颗粒中的孔容占其体积的比例为20-85％，优选为30-75％；和/或所述多孔碳化硅颗粒的比表面积不小于50m2/g，优选为100-1500m2/g。

6.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，向所述碳化硅载体通入硅源气体，通过化学气相沉积法得到沉积在所述碳化硅载体上的纳米硅。

7.根据权利要求6所述的硅基复合材料，其特征在于，在通入所述硅源气体的过程中，间断通入碳源气体，使得沉积得到的纳米硅中嵌合有碳层。

8.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述硅基复合材料还包括作为外壳结构的碳包覆层；所述碳包覆层占所述硅基复合材料的重量份比例不高于8wt％。

9.一种锂离子电池的负极材料，包括活性原料，其特征在于，所述活性原料包括如权利要求1-8之一所述的硅基复合材料。

10.一种锂离子电池，包括负极极片，其特征在于，所述负极极片采用如权利要求9所述的负极材料制成；所述锂离子电池在充放电倍率为0.1c的条件下，其充电比容量不小于1500mah/g，优选为1500-3000mah/g，更优选为1800-2800mah/g。

技术总结
本发明公开了一种硅基复合材料及其应用的负极材料和锂离子电池，其内核结构包括碳化硅载体以及沉积在所述碳化硅载体上的纳米硅，其中，至少部分纳米硅与所述碳化硅载体中的碳化硅呈嵌合状；本发明可以得到具有明显更高容量和更佳循环性能表现的锂离子电池。

技术研发人员：罗国兴,张强
受保护的技术使用者：罗国兴
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15