2025全国固态电池大会暨CVD硅碳负极材料技术大会

专利摘要：

本发明涉及锂离子电池负极领域，公开了一种被碳气凝胶材料包覆的硅碳复合材料及其制备方法。所述硅碳复合材料包括纳米硅颗粒与多孔碳层。本发明将天然高分子材料卡拉胶溶于水中，加入纳米硅颗粒后，在常温下形成有纳米硅颗粒均匀分散的凝胶胶体结构，随后，通过纤维素酯类原位碳化形成的碳纤维包裹、低表面张力溶剂置换和高温碳化过程制备成柔性碳气凝胶包裹的硅负极材料。本发明所述材料具有高孔隙率和自支撑性，使得所述材料较同类材料性能有明显提升。 

技术领域：

本发明涉及锂离子电池负极材料的相关领域，具体提供了一种利用天然高分子制备新型硅碳负极材料的方法。

背景技术：

在各种小型电子设备、电动工具与大型电动汽车不断占据市场的今天，人们对高能量密度的储能材料需求不断增加。锂离子电池经过数十年的发展，在现代生活中已经随处可见。由于锂单质作负极的电池循环寿命短、安全系数低，传统锂离子电池通常以廉价石墨材料作为负极。然而，石墨类材料由于其固有限制，370mAh/g的理论容量已经逐渐落后于时代的需求，因此，硅碳复合材料应运而生。其中，硅作为活性物质，其理论容量高达4200mAh/g。在循环过程中，硅与锂形成硅锂合金，其剧烈的体积变化和硅本身的极差的导电性导致了一系列诸如实际容量低下、循环寿命差、首次效率低等种种问题，从材料合成与 制备的角度来说，硅碳复合材料也存在着工艺复杂、成本高昂等问题，进一步限制了相应的产业化发展。此外，从电极材料到电极制备，工艺过程复杂，且引入大量粘结剂、导电剂，进一步降低了成品电池的能量密度。一些专利中有通过溶胶‑凝胶法制备含氮多孔碳材料作为活性物质载体的应用，然而，凝胶在干燥过程中的脆化使得其最终结果仍然是粉末材料，无法避免后续电极制备工艺中的一系列问题。因此制备一种具有三维立体结构的并能够直接用于负极材料的硅碳复合材料成为目前研究的重点。 

发明内容：

本发明的目的在于提供一种硅碳复合材料的制备方法，得到具有保持良好柔性和自支撑性三维结构的硅碳复合材料，使其经过简单切割即可用于负极材料，降低了应用工艺的复杂性。将其用于锂电池负极材料可以提高电池的首次库仑效率、比容量及循环寿命。 

本发明的积极效果在于： 

本发明通过天然廉价高分子材料卡拉胶制备得到自支撑硅碳负极材料，其碳凝胶网络的多孔结构能够有效缓解硅碳负极充放电过程中的体积膨胀，缓冲其结构应力，并且形成电子传导通道，提高电池的首次库仑效率、比容量及循环寿命。同时，以纤维素脂类包裹在胶体骨架表面进行了改性，形成易于锂离子附着的位点，形成高效离子通道，有效改善电化学性能。此外，纤维素的包覆支撑与胶体的低表面张力处理协同保持了其宏观三维形貌，使得电极材料有一定自支撑性、可直接应用于电池，避免了电极制备工艺中对能量密度的削减。

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