一种硅碳复合负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种硅碳复合负极材料及其制备方法，所述硅碳复合负极材料为纳米硅/C/M/有机碳源复合材料，其中，C为碳材料，M为金属氯化物；所述硅碳复合负极材料以纳米硅和碳材料为原料，加入金属氯化物，均匀分散于有机碳源，经高温碳化、破碎得到。本发明专利技术的优点在于：本发明专利技术硅碳复合负极材料，用作锂离子电池负极材料具有高容量，高倍率，高循环稳定性能，极大改善了纯硅的电化学性能；且本发明专利技术制备方法简单，生产流程较短，无苛刻条件，成本较低，易于工业化。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合负极材料及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池负极材料领域，特别涉及一种锂离子动力与储能电池用硅碳复合负极材料及其制备方法。
技术介绍
随着车用动力锂离子电池市场的快速发展，人们对锂离子电池负极材料的性能要求也提出了更高的标准，高容量、高倍率、长循环寿命的锂离子电池负极材料成为行业发展的方向，传统的商品化锂离子电池主要采用石墨类碳材料作为负极材料。然而，碳类负极材料因其比容量较低（372mAh/g）和锂沉积带来的安全性问题使其不能满足动力型和高容量锂离子电池大功率、高容量要求，因而需要研发可替代碳材料的高能量密度、高安全性能、长循环寿命的新型锂离子电池负极材料。硅作为一种新型锂离子电池负极材料，因其理论比容量高（4200mAh/g）而引起了人们的关注。但其在充放电过程中存在的体积膨胀（400%）而引起活性颗粒粉化造成负极结构不可逆性破坏，进而因失去电接触而导致容量快速衰减。因此，研发一种高容量、高倍率、长循环寿命锂离子电池负极材料及其制备方法是行业内急待解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种高容量、高倍率、长循环寿命锂离子电池硅碳复合负极材料及其制备方法及其制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种硅碳复合负极材料，其创新点在于：所述硅碳复合负极材料为纳米硅/C/M/有机碳源复合材料，其中，C为碳材料，M为金属氯化物。进一步地，所述碳材料为碳纳米管、石墨烯、碳纤维、天然石墨、人造石墨、中间相碳微球和富勒烯中的一种或几种。进一步地，所述金属氯化物为ZnCl2、FeCl3、CoCl2、NiCl2、CuCl2、MnCl2、NaCl和KCl中的一种或几种。进一步地，所述有机碳源为环氧树脂、酚醛树脂、羧甲基纤维素、沥青、乙基甲基碳酸酯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、聚氯乙烯、聚乙烯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丁二酸乙二醇酯、聚癸二酸乙二醇、聚乙二醇亚胺、聚乙炔、聚对苯、聚苯胺、聚吡咯、聚并苯、聚间苯二胺、聚对苯撑乙烯、聚噻吩、聚丙烯晴、聚酰亚胺和聚苯硫醚中的一种或几种。一种上述的硅碳复合负极材料的制备方法，其创新点在于：所述硅碳复合负极材料以纳米硅和碳材料为原料，加入金属氯化物，均匀分散于有机碳源，经高温碳化、破碎得到；具体步骤如下：（1）将纳米硅和碳材料在金属氯化物溶液中混合，并加热，搅拌均匀得到浆体；（2）将步骤（1）得到的浆体，继续加热进行浓缩，得到固相中间体，然后冷却至室温；（3）将步骤（2）得到的固体中间相加入有机碳源液相中，搅拌均匀，得到浆料；（4）将步骤（3）得到的浆料加热进行固化，得到凝胶相；（5）将步骤（4）得到的凝胶相在高温环境中通保护气进行烧结，得到烧结相，最后将烧结相破碎，得到硅碳复合负极材料。进一步地，所述步骤（1）中金属氯化物溶液中金属氯化物与水的质量比为1：:500～5000，纳米硅与碳材料的质量比为1:1～9，纳米硅和金属氯化物的质量比为450:1～9:1，步骤（1）中的加热温度为35℃～230℃，搅拌速度为100r/min～2200r/min。进一步地，所述步骤（2）中的加热温度为35℃～230℃。进一步地，所述步骤（3）中有机碳源的用量为步骤（1）中纳米硅的0.6～2倍，步骤（3）中的搅拌速度为100r/min～2200r/min。进一步地，所述步骤（4）中的加热温度为35℃～230℃。进一步地，所述步骤（5）中保护气为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的一种，保护气的流量为0.1m3/h～6.5m3/h，步骤（5）中的高温环境为以1℃/min～20℃/min的升温速率升至200℃～1200℃，并保温0.5h～24h，步骤（5）中的破碎粒度为1.5μm～66.5μm。本专利技术的优点在于：（1）本专利技术硅碳复合负极材料，以纳米硅作为容量提供主体，氯化物作为体积缓冲介质，碳材料起容量辅助、导电网络和减小硅基在充放电过程中产生的应力对材料结构的破坏作用，进而本专利技术硅碳复合负极材料用作锂离子电池负极材料具有高容量，高倍率，高循环稳定性能，极大改善了纯硅的电化学性能；（2）本专利技术硅碳复合负极材料的制备方法，制备方法简单，生产流程较短，无苛刻条件，成本较低，易于工业化；且通过该制备方法制备出的硅碳复合负极材料，颗粒尺寸大小均匀，分散性好。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1为本专利技术实施例1硅碳复合负极材料电镜照片。图2为本专利技术实施例1硅碳复合负极材料高倍扫描电镜照片。图3为本专利技术实施例1硅碳复合负极材料的X-射线衍射图谱。图4为本专利技术实施例1硅碳复合负极材料的充放电循环性能曲线。具体实施方式下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本专利技术，但并不因此将本专利技术限制在所述的实施例范围之中。实施例1将0.01gZncl2配制成50ml的水溶液，然后将1.09g纳米硅与8.91g碳纳米管加入上述溶液，在45℃下以150r/min搅拌1h，搅拌均匀后，再在60℃下加热浓缩至固相，将固相加入2g液态环氧树脂，并以450r/min的搅拌速度搅拌1h，然后再在95℃固化得凝胶相，将凝胶相通氮气，流量1.2m3/min,以10℃/min的升温速度升至500℃，并保温8h,最后降至室温将烧结物破碎至3.5μm的硅碳复合负极材料。实施例2将0.03gFecl2配制成50ml的水溶液，然后将1.87g纳米硅与8.13g石墨烯加入上述溶液，在60℃下以300r/min搅拌1h，搅拌均匀后，再在120℃下加热浓缩至固相，将固相加入1g液态酚醛树脂，并以600r/min的搅拌速度搅拌1h，然后再在100℃固化得凝胶相，将凝胶相通氦气，流量1.6m3/min,以12℃/min的升温速度升至650℃，并保温10.5h,最后降至室温将烧结物破碎至9.5μm的硅碳复合负极材料。实施例3将0.05gCocl2配制成50ml的水溶液，然后将2.75g纳米硅与3.15g天然石墨、4.1g碳纤维加入上述溶液，在75℃下以550r/min搅拌1h，搅拌均匀后，再在95℃下加热浓缩至固相，将固相加入2.3g液态羧甲基纤维素，并以750r/min的搅拌速度搅拌1h，然后再在145℃固化得凝胶相，将凝胶相通氖气，流量2.4m3/min,以14℃/min的升温速度升至950℃，并保温12.5h,最后降至室温将烧结物破碎至27.5μm的硅碳复合负极材料。实施例4将0.07gNicl2配制成50ml的水溶液，然后将3.38g纳米硅与2.32g人造石墨、4.1g石墨烯加入上述溶液，在100℃下以450r/min搅拌1h，搅拌均匀后，再在115℃下加热浓缩至固相，将固相加入3.5g液态聚乙烯醇，并以800r/min的搅拌速度搅拌1h，然后再在120℃固化得凝胶相，将凝胶相通氩气，流量0.8m3/min,以16℃/min的升温速度升至1050℃，并保温16.5h,最后降至室温将烧结物破碎至35.5μm的硅碳复合负极材料。实施例5将0.09gCucl2配制成50ml的水溶液，然后将3.97g纳米硅与3.01g中间相碳微球、3.02碳纳米管加入上述溶液，在140℃下以800r/min搅拌1h，搅拌均匀后，再在130℃下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅碳复合负极材料，其特征在于：所述硅碳复合负极材料为纳米硅/C/M/有机碳源复合材料，其中，C为碳材料，M为金属氯化物。

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合负极材料，其特征在于：所述硅碳复合负极材料为纳米硅/C/M/有机碳源复合材料，其中，C为碳材料，M为金属氯化物。2.根据权利要求1所述的硅碳复合负极材料，其特征在于：所述碳材料为碳纳米管、石墨烯、碳纤维、天然石墨、人造石墨、中间相碳微球和富勒烯中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的硅碳复合负极材料，其特征在于：所述金属氯化物为ZnCl2、FeCl3、CoCl2、NiCl2、CuCl2、MnCl2、NaCl和KCl中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的硅碳复合负极材料，其特征在于：所述有机碳源为环氧树脂、酚醛树脂、羧甲基纤维素、沥青、乙基甲基碳酸酯、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、聚氯乙烯、聚乙烯、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丁二酸乙二醇酯、聚癸二酸乙二醇、聚乙二醇亚胺、聚乙炔、聚对苯、聚苯胺、聚吡咯、聚并苯、聚间苯二胺、聚对苯撑乙烯、聚噻吩、聚丙烯晴、聚酰亚胺和聚苯硫醚中的一种或几种。5.一种权利要求1所述的硅碳复合负极材料的制备方法，其特征在于：所述硅碳复合负极材料以纳米硅和碳材料为原料，加入金属氯化物，均匀分散于有机碳源，经高温碳化、破碎得到；具体步骤如下：（1）将纳米硅和碳材料在金属氯化物溶液中混合，并加热，搅拌均匀得到浆体；（2）将步骤（1）得到的浆体，继续加热进行浓缩，得到固相中间体，然后冷却至室温；（3）将步骤（2）得到的固体中间相加入有机碳源液相中，搅拌...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹圣平，赵跃，俞晔虎，姜伟伟，唐义，杜法举，
申请(专利权)人：南通百川新材料有限公司，江苏百川高科新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32