CN110556519A - 一种硅负极材料、硅负极及硅负极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电池技术领域，公开了一种硅负极材料、硅负极及硅负极的制备方法，其中，硅负极材料包括硅颗粒、多孔碳和碳化聚丙烯腈，硅颗粒附着在所述多孔碳的孔壁上，碳化聚丙烯腈包覆所述硅颗粒，在硅负极材料中，由于硅颗粒附着在多孔碳的孔壁上，使得多孔碳能够为硅颗粒在硅负极充放电过程中的体积膨胀提供足够的缓冲空间，从而避免破坏硅负极的整体结构，进而改善电池的循环性能；同时，在硅负极材料中，由于碳化聚丙烯腈包覆硅颗粒，使得碳化聚丙烯腈中的氮原子与硅颗粒之间产生较强的作用力，从而形成稳固的导电网络，进而有利于避免硅颗粒在硅负极充放电过程中由于体积膨胀而破坏硅负极的整体结构，最终改善电池的循环性能。

Description

一种硅负极材料、硅负极及硅负极的制备方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，特别是涉及一种硅负极材料、硅负极及硅负极的制备方法。
背景技术
目前，传统的石墨负极的理论克容量约为372mAh/g，而硅负极的理论克容量约为4200mAh/g，因此在传统的负极材料中添加少量的硅材料已是目前电池厂家提升负极克容量的必然趋势。但是，加入硅材料的负极在充放电过程中，会由于硅颗粒过大的体积膨胀而破坏负极的整体结构，最终导致电池的循环性能较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种硅负极材料、硅负极及硅负极的制备方法，其能够有效地缓解硅颗粒在硅负极充放电过程中的体积膨胀，以避免破坏硅负极的整体结构，从而改善电池的循环性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种硅负极材料，所述硅负极材料包括硅颗粒、多孔碳和碳化聚丙烯腈，所述硅颗粒附着在所述多孔碳的孔壁上，所述碳化聚丙烯腈包覆所述硅颗粒。
作为优选方案，以所述硅负极材料总重计，所述硅负极材料包括20％-80％重量的硅颗粒、5％-50％重量的多孔碳和5％-50％重量的碳化聚丙烯腈。
作为优选方案，所述硅颗粒的粒径为10nm-1um。
为了解决相同的技术问题，本发明还提供一种硅负极，所述硅负极包括铜箔以及所述硅负极材料，所述硅负极材料附着在所述铜箔上。
本发明提供一种硅负极材料及硅负极，在硅负极材料中，由于硅颗粒附着在多孔碳的孔壁上，使得多孔碳能够为硅颗粒在硅负极充放电过程中的体积膨胀提供足够的缓冲空间，从而避免破坏硅负极的整体结构，进而改善电池的循环性能；同时，在硅负极材料中，由于碳化聚丙烯腈包覆硅颗粒，使得碳化聚丙烯腈中的氮原子与硅颗粒之间产生较强的作用力，从而形成稳固的导电网络，进而有利于避免硅颗粒在硅负极充放电过程中由于体积膨胀而破坏硅负极的整体结构，最终改善电池的循环性能。此外，由于多孔碳具有良好的导电性，并且碳化聚丙烯腈中的氮原子与硅颗粒能够形成的稳固的导电网络，从而提高了硅负极的导电性，并有利于充分发挥硅颗粒的高克容量性能。另外，由于多孔碳能够为硅负极提供克容量，因此有利于增加电池的容量，从而有利于提高电池的能量密度，并且由于多孔碳具有较大的比表面积，因此其能够在硅负极中为电解液提供浸润的场地。
为了解决相同的技术问题，本发明还提供一种硅负极的制备方法，包括以下步骤：
将硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈进行混合，得到浆料；
将所述浆料涂覆在铜箔上，得到极片；
将所述极片进行烘干；
在惰性气体氛围中，将烘干后的所述极片以预设的热处理条件进行热处理，得到硅负极。
作为优选方案，所述将硅颗粒多孔碳和聚丙烯腈进行混合，得到浆料具体为：
以硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈总重计，将20％-80％重量的硅颗粒、5％-50％重量的多孔碳和5％-50％重量的聚丙烯腈进行混合，得到浆料。
作为优选方案，所述将硅颗粒多孔碳和聚丙烯腈进行混合，得到浆料，具体包括：
将硅颗粒和多孔碳进行球磨干混；
将干混后的所述硅颗粒和所述多孔碳与聚丙烯腈溶液进行机械搅拌，得到浆料。
作为优选方案，所述聚丙烯腈溶液的质量分数为3％-10％。
作为优选方案，所述将所述浆料涂覆在铜箔上，得到极片具体为：将所述浆料涂覆在铜箔上，得到硅颗粒和多孔碳的涂覆载量为1-3mg/cm2的极片。
作为优选方案，所述预设的热处理条件包括：升温速率为2-10℃/min、热处理温度为300-600℃、保温时间为10min-3h。
作为优选方案，所述硅颗粒的粒径为10nm-1um。
本发明提供一种硅负极的制备方法，通过将硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈进行混合，以得到浆料，然后将浆料涂覆在铜箔上，以得到极片，再将极片进行烘干，最后在惰性气体氛围中，将烘干后的极片以预设的热处理条件进行热处理，以得到硅负极，在得到的硅负极中，由于硅颗粒附着在多孔碳的孔壁上，使得多孔碳能够为硅颗粒在硅负极充放电过程中的体积膨胀提供足够的缓冲空间，从而避免破坏硅负极的整体结构，进而改善电池的循环性能；同时，在硅负极中，由于碳化聚丙烯腈包覆硅颗粒，使得碳化聚丙烯腈中的氮原子与硅颗粒之间产生较强的作用力，从而形成稳固的导电网络，进而有利于避免硅颗粒在硅负极充放电过程中由于体积膨胀而破坏硅负极的整体结构，最终改善电池的循环性能。此外，由于多孔碳具有良好的导电性，并且碳化聚丙烯腈中的氮原子与硅颗粒能够形成的稳固的导电网络，从而提高了硅负极的导电性，并有利于充分发挥硅颗粒的高克容量性能。另外，由于多孔碳能够为硅负极提供克容量，因此有利于增加电池的容量，从而有利于提高电池的能量密度，并且由于多孔碳具有较大的比表面积，因此其能够在硅负极中为电解液提供浸润的场地。
附图说明
图1是本发明实施例中的硅负极材料的扫描电镜图；
图2是图1中的A处的局部放大图；
图3是本发明实施例中的多孔碳的扫描电镜图；
图4是本发明对比实施例中的硅负极材料的扫描电镜图；
图5是本发明实施例一中的硅负极和对比实施例中的硅负极的充放电性能图；
图6是本发明实施例一中在不同热处理温度下制备出的硅负极的聚丙烯腈的红外测试图；
图7是本发明实施例一中在不同热处理温度下制备出的硅负极的充放电性能图；
图8是本发明实施例提供的硅负极的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1和图2所示，本发明优选实施例的一种硅负极材料，所述硅负极材料包括硅颗粒、多孔碳和碳化聚丙烯腈，所述硅颗粒附着在所述多孔碳的孔壁上，所述碳化聚丙烯腈包覆所述硅颗粒；其中，所述碳化聚丙烯腈具体指经过碳化的聚丙烯腈。
在本发明实施例中，为了确保硅负极具有较佳的循环稳定性和容量，本实施例以所述硅负极材料总重计，所述硅负极材料包括20％-80％重量的硅颗粒、5％-50％重量的多孔碳和5％-50％重量的碳化聚丙烯腈。由于当碳含量过多时，形成固体电解液界面(SEI膜)时所消耗的锂离子越多，并且在下一步循环中不可逆，因此容易导致硅负极首圈的库伦效率较低；其次，由于当碳化聚丙烯腈过多时，使得硅负极的碳化聚丙烯腈将硅颗粒包裹得过于严实，以使得硅颗粒在硅负极充放电过程中发生体积膨胀时没有足够的缓冲空间，从而造成硅负极容易粉化，最终影响了硅负极的循环稳定性，因此本实施例通过将所述硅负极材料设置为上述重量比，以使得硅负极上的硅颗粒、多孔碳和碳化聚丙烯腈的含量恰当，从而确保硅负极具有较佳的循环稳定性和容量。
在本发明实施例中，为了确保制备后的硅负极具有较佳的循环性能，本实施例中的所述硅颗粒的粒径为10nm-1um。由于当硅颗粒的粒径较大时，其在充放电过程中由于体积变化较大容易造成硅负极粉化过于严重，因此通过选择粒径为10nm-1um的硅颗粒，以确保制备后的硅负极具有较佳的循环性能。
为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供一种硅负极，所述硅负极包括铜箔以及所述硅负极材料，所述硅负极材料附着在所述铜箔上。
本发明实施例提供一种硅负极材料及硅负极，在硅负极材料中，由于硅颗粒附着在多孔碳的孔壁上，使得多孔碳能够为硅颗粒在硅负极充放电过程中的体积膨胀提供足够的缓冲空间，从而避免破坏硅负极的整体结构，进而改善电池的循环性能；同时，在硅负极材料中，由于碳化聚丙烯腈包覆硅颗粒，使得碳化聚丙烯腈中的氮原子与硅颗粒之间产生较强的作用力，从而形成稳固的导电网络，进而有利于避免硅颗粒在硅负极充放电过程中由于体积膨胀而破坏硅负极的整体结构，最终改善电池的循环性能。此外，由于多孔碳具有良好的导电性，并且碳化聚丙烯腈中的氮原子与硅颗粒能够形成的稳固的导电网络，从而提高了硅负极的导电性，并有利于充分发挥硅颗粒的高克容量性能。另外，由于多孔碳能够为硅负极提供克容量，因此有利于增加电池的容量，从而有利于提高电池的能量密度，并且由于多孔碳具有较大的比表面积，因此其能够在硅负极中为电解液提供浸润的场地。
参见图8所示，为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供一种硅负极的制备方法，包括以下步骤：
S11，将硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈进行混合，得到浆料；
S12，将所述浆料涂覆在铜箔上，得到极片；
S13，将所述极片进行烘干；
S14，在惰性气体氛围中，将烘干后的所述极片以预设的热处理条件进行热处理，得到硅负极。
在本发明实施例中，所述将硅颗粒多孔碳和聚丙烯腈溶液进行混合，得到浆料具体为：
以硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈总重计，将20％-80％重量的硅颗粒、5％-50％重量的多孔碳和5％-50％重量的聚丙烯腈进行混合，得到浆料。
在本发明实施例中，为了使得浆料中的硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈能够混合均匀，本实施例中的所述将硅颗粒多孔碳和聚丙烯腈进行混合，得到浆料，具体包括：
将硅颗粒和多孔碳进行球磨干混；
将干混后的所述硅颗粒和所述多孔碳与聚丙烯腈溶液进行机械搅拌，得到浆料。
在本发明实施例中，首先通过将硅颗粒和多孔碳进行球磨干混，再将干混后的所述硅颗粒和所述多孔碳与聚丙烯腈溶液进行机械搅拌，以使得浆料中的硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈能够混合均匀，从而确保制备后的硅负极具备良好的循环稳定性和克容量。
在本发明实施例中，所述聚丙烯腈溶液的质量分数为3％-10％。
参见图3所示，为了获得制备硅负极材料的多孔碳，本实施例中的所述将硅颗粒和多孔碳进行球磨干混之前，还包括步骤：制备多孔碳。
其中，所述制备多孔碳具体包括：
将树脂粉碎；
将粉碎后的树脂与催化剂混合，得到第一产物；
将所述第一产物与强碱混合，得到第二产物；
将所述第二产物进行烘干；
将烘干后的第二产物以800℃进行煅烧，得到第三产物；
将所述第三产物用清水进行清洗并抽滤，直至PH为7；
将抽滤后的第三产物进行烘干，得到多孔碳。
在本发明实施例中，为了确保制备的硅负极具有较佳的循环性能和克容量，所述将所述浆料涂覆在铜箔上，得到极片具体为：将所述浆料涂覆在铜箔上，以得到硅颗粒和多孔碳的涂覆载量为1-3mg/cm2的极片；其中，所述硅颗粒和多孔碳的涂覆载量表示所述极片在单位面积上涂覆的硅颗粒和多孔碳的总质量。由于当聚丙烯腈过多时，使得硅负极的碳化聚丙烯腈将硅颗粒包裹得过于严实，以使得硅颗粒在硅负极充放电过程中发生体积膨胀时没有足够的缓冲空间，从而造成硅负极容易粉化，最终影响了硅负极的循环稳定性，因此本实施例通过将极片上的硅颗粒和多孔碳的涂覆载量设置为1-3mg/cm2，以使得硅负极上的硅颗粒、多孔碳和碳化聚丙烯腈的含量恰当，从而确保硅负极具有较佳的循环稳定性和容量。
在本发明实施例中，为了避免涂覆有浆料的所述极片在烘干时被氧化，本实施例中的所述将所述极片进行烘干具体为：在80-150℃的真空条件下烘干所述极片。通过在真空条件下烘干所述极片，以避免涂覆有浆料的所述极片在烘干时被氧化，从而确保了制备后的硅负极具有良好的循环稳定性和克容量。
在本发明实施例中，为了确保热处理后得到的硅负极具有良好的循环性能和克容量，本实施例中的所述预设的热处理条件包括：升温速率为2-10℃/min、热处理温度为300-600℃、保温时间为10min-3h。由于聚丙烯腈在300℃以上的条件下开始发生脱水成环反应，继续增加温度可使其碳化，因此将所述热处理温度设置为300-600℃，以提高所述硅负极的导电性。此外，由于在较高温度下保温时间越长，硅负极材料与铜箔之间的粘结力越小，从而导致硅负极材料在循环过程中容易脱落，因此将保温时间为10min-3h，以确保所述硅负极材料不容易从铜箔上脱落，从而确保了热处理后得到的硅负极具有良好的循环性能和克容量。
在本发明实施例中，所述惰性气体氛围优选为氮气氛围或氩气氛围。当然，所述惰性气体氛围不限于氮气氛围或氩气氛围，只需满足其能够避免所述极片在烘干时被氧化即可，在此不做更多的赘述。
在本发明实施例中，本实施例中的所述硅颗粒的粒径优选为10nm-1um。
本发明实施例提供一种硅负极的制备方法，通过将硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈进行混合，以得到浆料，然后将浆料涂覆在铜箔上，以得到极片，再将极片进行烘干，最后在惰性气体氛围中，将烘干后的极片以预设的热处理条件进行热处理，以得到硅负极，在得到的硅负极中，由于硅颗粒附着在多孔碳的孔壁上，使得多孔碳能够为硅颗粒在硅负极充放电过程中的体积膨胀提供足够的缓冲空间，从而避免破坏硅负极的整体结构，进而改善电池的循环性能；同时，在硅负极中，由于碳化聚丙烯腈包覆硅颗粒，使得碳化聚丙烯腈中的氮原子与硅颗粒之间产生较强的作用力，从而形成稳固的导电网络，进而有利于避免硅颗粒在硅负极充放电过程中由于体积膨胀而破坏硅负极的整体结构，最终改善电池的循环性能。此外，由于多孔碳具有良好的导电性，并且碳化聚丙烯腈中的氮原子与硅颗粒能够形成的稳固的导电网络，从而提高了硅负极的导电性，并有利于充分发挥硅颗粒的高克容量性能。另外，由于多孔碳能够为硅负极提供克容量，因此有利于增加电池的容量，从而有利于提高电池的能量密度，并且由于多孔碳具有较大的比表面积，因此其能够在硅负极中为电解液提供浸润的场地。
下述提供以下实施例用于说明硅负极的制备方法，具体如下：
实施例一
S21，将硅颗粒和多孔碳进行球磨干混；
S22，将干混后的所述硅颗粒和所述多孔碳与聚丙烯腈溶液进行机械搅拌，得到浆料；其中，以硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈总重计，硅颗粒的含量占50％、多孔碳的含量占20％、聚丙烯腈的含量占30％；所述聚丙烯腈溶液的质量分数为5％；所述硅颗粒的粒径为50nm；
S23，将所述浆料涂覆在铜箔上，以得到硅颗粒和多孔碳的涂覆载量为1mg/cm2的极片；
S24，在80℃的真空条件下烘干所述极片；
S25，在氮气氛围中，将烘干后的所述极片以预设的热处理条件进行热处理，得到硅负极，其中，所述预设的热处理条件具体包括：升温速率为5℃/min、热处理温度为450℃、保温时间为10min；
S26，将得到的所述硅负极裁成直径为12mm的硅负极Si-Carbon-PAN；
S27，将所述硅负极Si-Carbon-PAN进行组装，得到扣式电池；其中，以所述硅负极Si-Carbon-PAN作为所述扣式电池的负极，以金属锂作为所述扣式电池的正极，以六氟磷锂作为所述扣式电池的电解液。
S28，以预设测试条件测试所述扣式电池；其中，所述预设测试条件具体包括：测试区间为0.05V-1.5V，测试电流密度为1A/g；
其中，所述硅颗粒的粒径为40nm。
实施例一的对比实施例：
S31，将硅颗粒与聚丙烯腈溶液进行机械搅拌，得到浆料；其中，以硅颗粒和聚丙烯腈总重计，硅颗粒的含量占70％、聚丙烯腈的含量占30％；所述聚丙烯腈溶液的质量分数为5％；所述硅颗粒的粒径为50nm；
S32，将所述浆料涂覆在铜箔上，以得到硅颗粒的涂覆载量为1mg/cm2的极片；
S33，在80℃的真空条件下烘干所述极片；
S34，在氮气氛围中，将烘干后的所述极片以预设的热处理条件进行热处理，得到硅负极，其中，所述预设的热处理条件具体包括：升温速率为5℃/min、热处理温度为450℃、保温时间为10min；
S35，将得到的所述硅负极裁成直径为12mm的硅负极Si-PAN；
S36，将所述硅负极Si-PAN进行组装，得到扣式电池；其中，以所述硅负极Si-PAN作为所述扣式电池的负极，以金属锂作为所述扣式电池的正极，以六氟磷锂作为所述扣式电池的电解液。
S37，以预设测试条件测试所述扣式电池；其中，所述预设测试条件具体包括：测试区间为0.05V-1.5V，测试电流密度为1A/g；
其中，所述硅颗粒的粒径为40nm，所述硅颗粒的涂覆载量表示所述极片在单位面积上涂覆的硅颗粒的质量。
实施例一和对比实施例的测试结果如图1、图2以及图4所示，实施例一中的硅颗粒附着在多孔碳上，碳化的聚丙烯腈部分包覆所述硅颗粒，因此在实施例一的硅颗粒在硅负极Si-Carbon-PAN充放电过程中发生体积膨胀时，其硅颗粒在具有较大的缓冲空间，从而避免破坏实施例一的硅负极Si-Carbon-PAN的整体结构，进而改善电池的循环性能；而对比实施例中碳化的聚丙烯腈严密包覆在硅颗粒上，导致对比实施例的硅颗粒在硅负极Si-PAN充放电过程中发生体积膨胀时缺少缓冲空间，导致对比实施例的硅负极Si-PAN的整体结构容易破坏。
此外，如图5所示，在电流密度为1A/g的情况下，实施例一的扣式电池在300圈的循环中的容量保持率高于90％，即使在300圈循环后，实施例一的硅负极Si-Carbon-PAN仍具有1300mAh/g的克容量。而在对比实施例中，所述硅负极Si-PAN的克容量的衰减非常明显，特别是在300圈后，所述硅负极Si-PAN几乎发挥不出容量。由此可见，相较于对比实施例的硅负极Si-PAN，由于实施例一的所述硅负极Si-Carbon-PAN含有多孔碳，以使得所述硅负极Si-Carbon-PAN具有优良的导电性及稳固的整体结构，从而使得具有更加优异的循环性能及克容量。
不同热处理温度对硅负极性能的影响
为了研究不同热处理温度对硅负极性能的影响，本发明实施例一通过改变热处理温度，在其它工艺步骤及工艺参数不变的前提下，分别对不同的热处理温度(150℃、250℃、450℃、600℃)下得到的硅负极进行性能测试，测试结果如图6和图7所示：
参见图6所示，聚丙烯腈在热处理温度为450℃时碳化并保留了部分氰基键(CN)，碳化的聚丙烯腈中的氰基与硅颗粒之间具有较强的作用力，有助于构建一个稳固的结构，达到优异的循环性能。此外，如图7所示，热处理温度为450℃的硅负极Si-Carbon-PAN-450相较于热处理温度为150℃的硅负极Si-Carbon-PAN-150具有更加优异的循环稳定性和容量。所述热处理温度为450℃的硅负极Si-Carbon-PAN-450的起始容量达到1250mAh/g，循环400周仍有高于1000mAh/g的克容量；而所述热处理温度为150℃的硅负极Si-Carbon-PAN-150的起始容量仅有1000mAh/g，且下降幅度较大。由此可见，硅负极中的聚丙烯腈在热处理温度为450℃时碳化并且与多孔碳共同作用，形成了一个完整的导电网络，从而有利于硅颗粒克容量的发挥。此外，由于碳化的聚丙烯腈中的氰基与硅颗粒之间具有较强的作用力，因此有利于构建一个稳固的结构，从而使得硅负极达到优异的循环性能。
不同混合比例的多孔碳对硅负极性能的影响
为了研究不同混合比例的多孔碳对硅负极性能的影响，本发明实施例一通改变多孔碳的混合比例，在其它工艺步骤及工艺参数不变的前提下，分别对不同混合比例的多孔碳(以硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈总重计，多孔碳的重量比分别为：5％、10％、20％、30％、40％、50％，相应地，硅颗粒的重量比分别为：75％、70％、60％、50％、40％、30％)下得到的硅负极进行性能测试。
测试结论：多孔碳含量越多，硅负极首圈的库伦效率的越低，在接下来的长循环中，虽然硅负极能够保持循环稳定性，但是其容量较低。这是由于碳含量过多，形成固体电解液界面(SEI膜)时所消耗的锂离子越多，并且在下一步循环中不可逆。
不同热处理的保温时间对硅负极性能的影响
为了研究不同热处理的保温时间对硅负极性能的影响，本发明实施例一通过改变热处理的保温时间，在其它工艺步骤及工艺参数不变的前提下，分别对不同热处理的保温时间(10min、30min、1h、2h、3h)下得到的硅负极进行性能测试。
测试结论：随着保温时间越长，硅负极的循环性能越差，这是由于在较高温度下，保温时间越长，硅负极材料与铜箔之间的粘结力越小，从而导致硅负极材料在循环过程中容易脱落。
不同硅颗粒和多孔碳的涂覆载量对硅负极性能的影响
为了研究不同硅颗粒和多孔碳的涂覆载量对硅负极性能的影响，本发明实施例一通过改变硅颗粒和多孔碳的涂覆载量，在其它工艺步骤及工艺参数不变的前提下，分别对不同硅颗粒和多孔碳的涂覆载量(1mg/cm2、1.5mg/cm2、2mg/cm2、2.5mg/cm2、3mg/cm2)下得到的硅负极进行性能测试。
测试结论：当本实施例的硅负极在3mg/cm2的载量以下时，仍然表现出较好的循环性能，并且在循环500周后仍能保持800mAh/g的克容量，由此可见，本实施例的硅负极在充放电过程中具有较高的结构稳固性。
不同硅颗粒的粒径对硅负极性能的影响
为了研究不同硅颗粒的粒径对硅负极性能的影响，本发明实施例一通过改变硅颗粒的粒径，在其它工艺步骤及工艺参数不变的前提下，分别对不同硅颗粒的粒径(10nm、50nm、150nm、1um、2um、5um、10um)下得到的硅负极进行性能测试。
测试结论：当硅颗粒的粒径在1um以下时，所制备的硅负极展示出较好的循环性能。当硅颗粒的粒径在1um以上时，所制备的硅负极的循环性能较差。这是由于当硅颗粒的粒径在1um以上时，其在充放电过程中由于体积变化较大易造成硅负极粉化比较严重，由此可见，本发明优选采用粒径为1um以下的硅颗粒。
不同混合比例的聚丙烯腈对硅负极性能的影响
为了研究不同混合比例的聚丙烯腈对硅负极性能的影响，本发明实施例一通过改变聚丙烯腈的混合比例，在其它工艺步骤及工艺参数不变的前提下，分别对不同混合比例的聚丙烯腈(以硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈总重计，聚丙烯腈的重量比分别为：5％、15％、25％、35％、45％)下得到的硅负极进行性能测试。
测试结论：当聚丙烯腈的混合比例在25％以下时，硅负极能够保持较好的循环稳定性，当聚丙烯腈的混合比例越高，硅负极的循环稳定性越差。这是由于当聚丙烯腈过多时，使得硅负极的碳化聚丙烯腈将硅颗粒包裹得过于严实，以使得硅颗粒在硅负极充放电过程中发生体积膨胀时没有足够的缓冲空间，从而造成硅负极容易粉化，最终影响了硅负极的循环稳定性。
综上，本发明实施例提供一种硅负极材料、硅负极及硅负极的制备方法，其中，硅负极材料通过将硅颗粒附着在多孔碳的孔壁上，以确保硅颗粒在充放电过程中发生体积膨胀时能够为其提供足够的缓冲空间，从而避免破坏硅负极的整体结构，进而改善电池的循环性能；同时，通过所述聚丙烯腈包覆所述硅颗粒，以使得聚丙烯腈中的氮原子与硅颗粒之间产生较强的作用力，从而形成稳固的导电网络，进而有利于缓解硅颗粒在硅负极充放电过程中的体积膨胀时造成破坏硅负极的整体结构，最终改善电池的循环性能。此外，由于硅颗粒本身的导电性较差，因此本发明实施例通过具有良好的导电性的多孔碳以及聚丙烯腈中的氮原子与硅颗粒形成的稳固的导电网络，以提高硅负极的导电性，同时有利于硅颗粒的高克容量性能的发挥。此外，由于多孔碳能够为硅负极提供克容量，因此有利于增加电池的容量，从而有利于提高电池的能量密度，其次，由于多孔碳具有较大的比表面积，因此其能够为电解液在硅负极中的浸润提供场地。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种硅负极材料，其特征在于，所述硅负极材料包括硅颗粒、多孔碳和碳化聚丙烯腈，所述硅颗粒附着在所述多孔碳的孔壁上，所述碳化聚丙烯腈包覆所述硅颗粒。
2.如权利要求1所述的硅负极材料，其特征在于，以所述硅负极材料总重计，所述硅负极材料包括20％-80％重量的硅颗粒、5％-50％重量的多孔碳和5％-50％重量的碳化聚丙烯腈。
3.如权利要求1或2所述的硅负极材料，其特征在于，所述硅颗粒的粒径为10nm-1um。
4.一种硅负极，其特征在于，所述硅负极包括铜箔以及如权利要求1-3任一项所述的硅负极材料，所述硅负极材料附着在所述铜箔上。
5.一种硅负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈进行混合，得到浆料；
将所述浆料涂覆在铜箔上，得到极片；
将所述极片进行烘干；
在惰性气体氛围中，将烘干后的所述极片以预设的热处理条件进行热处理，得到硅负极。
6.如权利要求5所述的硅负极的制备方法，其特征在于，所述将硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈进行混合，得到浆料具体为：
以硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈总重计，将20％-80％重量的硅颗粒、5％-50％重量的多孔碳和5％-50％重量的聚丙烯腈进行混合，得到浆料。
7.如权利要求5所述的硅负极的制备方法，其特征在于，所述将硅颗粒、多孔碳和聚丙烯腈进行混合，得到浆料，具体包括：
将硅颗粒和多孔碳进行球磨干混；
将干混后的所述硅颗粒和所述多孔碳与聚丙烯腈溶液进行机械搅拌，得到浆料。
8.如权利要求7所述的硅负极的制备方法，其特征在于，所述聚丙烯腈溶液的质量分数为3％-10％。
9.如权利要求5-8任一项所述的硅负极制备方法，其特征在于，所述将所述浆料涂覆在铜箔上，得到极片具体为：
将所述浆料涂覆在铜箔上，得到硅颗粒和多孔碳的涂覆载量为1-3mg/cm2的极片。
10.如权利要求5-8任一项所述的硅负极的制备方法，其特征在于，所述预设的热处理条件包括：升温速率为2-10℃/min、热处理温度为300-600℃、保温时间为10min-3h。
11.如权利要求5-8任一项所述的硅负极的制备方法，其特征在于，所述硅颗粒的粒径为10nm-1um。
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