本發(fā)明涉及電極材料的，尤其是涉及一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法、應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前，隨著新能源電動(dòng)汽車、電子消費(fèi)產(chǎn)品以及儲能電站的蓬勃發(fā)展，對鋰離子電池負(fù)極的能量密度的要求日益增長。在眾多鋰離子電池負(fù)極材料中，硅材料因超高的理論儲鋰容量（室溫下形成li15si4，理論容量可達(dá)到3579ma·h/g），接近目前商業(yè)化石墨負(fù)極材料的10倍儲鋰容量（理論容量372ma·h/g），是最有希望商業(yè)化量產(chǎn)的高能量密度鋰離子電池負(fù)極材料。

2、然而，硅材料實(shí)際應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，存在顆粒輥壓易破碎的情況，同時(shí)硅材料作為半導(dǎo)體材料具有較低的電導(dǎo)率，具有高容量的同時(shí)在充放電過程中伴隨著巨大的體積膨脹，這些問題會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池容量過快衰減。目前，亟需解決以上問題來提高電池能量密度。

3、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的之一在于提供一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料，具有較高首次效率、較低充電體積膨脹以及較長循環(huán)的優(yōu)勢。

2、本發(fā)明的目的之二在于提供一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，工藝簡單、高效，成功率高，適合工業(yè)化生產(chǎn)。

3、本發(fā)明的目的之三在于提供一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料的應(yīng)用，能夠有效改善鋰離子二次電池的首次效率和循環(huán)壽命。

4、為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)方案：

5、第一方面，一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料，由內(nèi)到外依次包括納米硅、多孔硬炭、多孔金屬以及碳包覆層；

6、所述多孔硬炭填充在所述多孔金屬的孔隙內(nèi)部，所述納米硅分布在所述多孔硬炭的孔隙中；

7、所述碳包覆層包覆在所述多孔金屬、多孔硬炭的表面及其孔隙中；

8、所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料為類球形顆粒；

9、所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料的電導(dǎo)率＞40s/cm。

10、進(jìn)一步的，所述多孔金屬的球形度平均值＞0.95，多孔金屬的孔隙率為20%~60%，多孔金屬的孔徑為50nm~1000nm，多孔金屬的粒度dv10＜2μm，多孔金屬的粒度dv50＜4μm，多孔金屬的粒度dv90＜10μm。

11、進(jìn)一步的，所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料的顆粒球形度的平均值≥0.85；

12、所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料的顆粒球形度在0.8以下的顆粒數(shù)量≤5%。

13、進(jìn)一步的，所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料的粒度dv10＜2μm，粒度dv50＜4μm，粒度dv90＜10μm。

14、進(jìn)一步的，所述多孔金屬包括鋯、銅、銀、鈦、鍺、鉑以及鎳中的至少一種。

15、進(jìn)一步的，所述納米硅的平均粒度≤10nm。

16、進(jìn)一步的，所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料中納米硅、多孔硬炭、多孔金屬以及碳包覆層的質(zhì)量占比分別為30%~60%、20%~40%、20%~40%以及0.5%~5%。

17、第二方面，一種上述任一項(xiàng)所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，包括以下步驟：

18、（a）將多孔金屬材料和水溶性碳源在水中混合反應(yīng)，得到內(nèi)部填充硬炭前驅(qū)體的多孔金屬，記為第一復(fù)合材料；

19、（b）將第一復(fù)合材料進(jìn)行碳化熱解和造孔處理，得到內(nèi)部填充多孔硬炭的多孔金屬，記為第二復(fù)合材料；

20、（c）將第二復(fù)合材料進(jìn)行納米硅沉積和碳包覆處理，得到所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料。

21、第三方面，一種上述任一項(xiàng)所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料在鋰離子二次電池中的應(yīng)用。

22、進(jìn)一步的，所述鋰離子二次電池的負(fù)極片包括上述任一項(xiàng)所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料；

23、所述負(fù)極片經(jīng)50噸壓力輥壓后，負(fù)極片中顆粒的破碎率＜5%。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

25、本發(fā)明提供的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其中間層為導(dǎo)電性較好的多孔金屬材料，因此能夠提高電導(dǎo)率，降低充放電內(nèi)阻；同時(shí)，多孔金屬材料具有較高的抗形變能力，因此能夠改善材料輥壓易破碎的問題，能夠束縛材料充放電體積膨脹，有效緩解充放電體積膨脹過大的問題。通過可溶性碳源前驅(qū)體進(jìn)行溶劑熱反應(yīng)，碳源溶解成液相，液相碳源分布在多孔金屬內(nèi)部進(jìn)行碳化，使多孔硬炭填充在多孔金屬內(nèi)部，內(nèi)部填充多孔硬炭后的多孔金屬材料的孔徑可達(dá)到10nm以下，所以納米硅在孔內(nèi)不易團(tuán)聚長大，膨脹較小；同時(shí)采用溶劑熱反應(yīng)使多孔硬炭填充在高球形度多孔金屬內(nèi)部，金屬在外部抗壓能力較強(qiáng)，硅碳材料無尖銳部位，極片輥壓過程球形顆粒受力較均勻，抗壓能力高，顆粒破碎率低，副反應(yīng)少，更有利于提高硅碳材料的首次效率。總之，本發(fā)明硅碳復(fù)合負(fù)極材料具有較高首次效率、較低充電體積膨脹以及較長循環(huán)的優(yōu)勢，在應(yīng)用于鋰離子二次電池時(shí)，能夠有效改善鋰離子電池的首次效率和循環(huán)壽命。

26、本發(fā)明提供的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，在制備硬炭前驅(qū)體過程時(shí)加入多孔金屬材料，再通過碳化熱解和造孔處理，多孔結(jié)構(gòu)的硬炭能夠填充分布在多孔金屬材料內(nèi)部，進(jìn)而有效增強(qiáng)硅碳復(fù)合負(fù)極材料的抗形變能力和提高材料電導(dǎo)率；總之，本發(fā)明制備方法不僅工藝簡單、高效，成功率高，適合工業(yè)化生產(chǎn)，而且能夠提高硅碳復(fù)合負(fù)極材料的首次效率和循環(huán)壽命。

27、本發(fā)明提供的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的應(yīng)用，能夠有效提高鋰離子二次電池的首次效率和循環(huán)壽命，取得了突出的應(yīng)用效果。

技術(shù)特征：

1.一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，由內(nèi)到外依次包括納米硅、多孔硬炭、多孔金屬以及碳包覆層；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，所述多孔金屬的球形度平均值＞0.95，多孔金屬的孔隙率為20%~60%，多孔金屬的孔徑為50nm~1000nm，多孔金屬的粒度dv10＜2μm，多孔金屬的粒度dv50＜4μm，多孔金屬的粒度dv90＜10μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料的顆粒球形度的平均值≥0.85；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料的粒度dv10＜2μm，粒度dv50＜4μm，粒度dv90＜10μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，所述多孔金屬包括鋯、銅、銀、鈦、鍺、鉑以及鎳中的至少一種。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，所述納米硅的平均粒度≤10nm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料，其特征在于，所述硅碳復(fù)合負(fù)極材料中納米硅、多孔硬炭、多孔金屬以及碳包覆層的質(zhì)量占比分別為30%~60%、20%~40%、20%~40%以及0.5%~5%。

8.一種權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.一種權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料在鋰離子二次電池中的應(yīng)用。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，所述鋰離子二次電池的負(fù)極片包括所述的硅碳復(fù)合負(fù)極材料；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種硅碳復(fù)合負(fù)極材料及其制備方法、應(yīng)用，涉及電極材料的技術(shù)領(lǐng)域，該硅碳復(fù)合負(fù)極材料由內(nèi)到外依次包括納米硅、多孔硬炭、多孔金屬以及碳包覆層；多孔硬炭填充在多孔金屬的孔隙內(nèi)部，納米硅分布在多孔硬炭的孔隙中；碳包覆層包覆在多孔金屬、多孔硬炭的表面及其孔隙中。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的硅碳負(fù)極材料電導(dǎo)率低、易壓碎、充電體積膨脹高，從而導(dǎo)致電池能量密度低和循環(huán)性能差的技術(shù)問題，達(dá)到了硅碳負(fù)極材料具有較高首次效率、較低充電體積膨脹以及較長循環(huán)的技術(shù)效果，在應(yīng)用于鋰離子二次電池時(shí)，能夠有效改善鋰離子電池的首次效率和循環(huán)壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：陳厚富,胡亮,梅海龍,鄺群峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：贛州立探新能源科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19