本申請公開了一種硅碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，所述硅碳復(fù)合材料包括納米硅和類石墨烯碳納米片；類石墨烯碳納米片對納米硅形成包覆；類石墨烯碳納米片與納米硅之間存在硅氧層。本申請硅碳復(fù)合材料為類石墨烯包覆納米硅的二維分級納米結(jié)構(gòu)，將其作為負極材料，使得電極具有高導(dǎo)電性、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和大電流下的良好的倍率性能。同時本申請還公開了該硅碳復(fù)合材料的制備方法，中間相瀝青在鹽模板的輔助下裂解生成的高比表面積、高電導(dǎo)率的類石墨烯碳納米片，實現(xiàn)了一鍋法商業(yè)納米硅顆粒表面包覆類石墨烯碳層，克服了瀝青包覆納米硅的分散效果差、表面包覆不均勻、易團聚、容量衰減快等問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及一種硅碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于電化學(xué)和新能源領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子電池以其高電壓、高比能量、長循環(huán)壽命和環(huán)境友好等優(yōu)勢已在筆記本電腦、攝像機、移動電話等設(shè)備中得到普遍應(yīng)用。隨著世界范圍內(nèi)化石能源的緊缺和日益嚴重的環(huán)境污染問題，包括我國在內(nèi)的世界各國，都在大力推廣應(yīng)用以鋰離子電池為動力來源的新能源汽車。相比于傳統(tǒng)的石墨負極，硅基材料因為它具有極高的理論比容量(～4200mAh?g^-1vs～370m?Ah?g^-1(傳統(tǒng)石墨負極))、相對較低的嵌鋰電位(0.5V?vs?Li⁺/Li)和較高的地殼儲量，被認為是最具商業(yè)價值的下一代鋰離子電池負極材料。

然而，硅基材料同時存在許多的內(nèi)在缺陷包括：低Li擴散速率和電子電導(dǎo)率；硅的合金化反應(yīng)過程產(chǎn)生巨大體積膨脹(300％)，導(dǎo)致硅的粉碎，電化學(xué)接觸不良，以及固體電解質(zhì)中間相(solid?electrolyte?interphases(SEI))的反復(fù)破壞和生成會消耗電解液降低庫倫效率和循環(huán)壽命。

硅的納米化和在硅表面包覆碳和氧化物等保護層是緩解硅粉化引起的比容量快速下降的最有效方法。石墨烯與硅納米粒子的組裝將在很大程度上抑制硅納米粒子的體積膨脹引發(fā)的機械應(yīng)力，其次石墨烯具有較大的比表面積，能縮短鋰離子的傳輸距離，增加電極導(dǎo)電性，從而提升倍率性能并維持高的能量密度。截止到目前有關(guān)報道硅-石墨烯復(fù)合材料的制備往往伴隨著繁瑣的工藝、高成本和有毒化學(xué)品排放。因此，開發(fā)一種工藝簡單、低成本并且能有效抑制硅的體積效應(yīng)的制備工藝仍是目前硅基材料領(lǐng)域要解決的難題。

發(fā)明內(nèi)容

根據(jù)本申請的一個方面，提供了一種硅碳復(fù)合材料，所述硅碳復(fù)合材料為類石墨烯包覆納米硅的二維分級納米結(jié)構(gòu)，將其作為負極材料，使得電極具有高導(dǎo)電性、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和大電流下的良好的倍率性能。

所述硅碳復(fù)合材料包括納米硅和類石墨烯碳納米片；

類石墨烯碳納米片對納米硅形成包覆；

類石墨烯碳納米片與納米硅之間存在硅氧層。

可選地，納米硅的直徑為30～50nm；

硅氧層的厚度為5±1nm。

具體地，所述硅氧層具有化學(xué)式SiO_x，x為1.39。

可選地，硅碳復(fù)合材料中，類石墨烯碳納米片的含量為30wt％～70wt％。

具體地，類石墨烯碳納米片的含量下限獨立選自30wt％、35wt％、40wt％、45wt％、50wt％；類石墨烯碳納米片的含量上限獨立選自51.9wt％、55wt％、60wt％、65wt％、70wt％。

根據(jù)本申請的又一個方面，提供了一種硅碳復(fù)合材料的制備方法，至少包括以下步驟：

S001、得到含有鹵化鹽、納米硅、類石墨烯碳納米片前驅(qū)體的混合前驅(qū)體；

S002、對混合前驅(qū)體進行退火處理，得到硅碳復(fù)合材料。

可選地，步驟S001中，鹵化鹽為堿金屬鹵鹽、堿土金屬鹵鹽中的至少一種。