硅碳负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于储能研究领域，特别涉及一种硅碳负极材料，包括核结构和壳结构，所述核结构为二次颗粒结构，且其中包括具有多孔结构的主导电网络以及填充于所述多孔主导电网络孔结构中的纳米一次颗粒；所述主导网络结构之间存在较强的化学键和力作用；所述化学键将所述纳米一次颗粒紧密的锁定于所述主导电网络的孔结构中。从而确保该硅碳负极材料具有优良的电化学性能。

Silicon carbon negative electrode material and preparation method thereof

The invention belongs to the field of energy storage, in particular to a silicon carbon anode materials, including nuclear structure and nuclear shell structure, the structure is two times the particle structure, which includes the leading electric network with porous structure and nano particles filled a hole in the main structure of the porous conductive network in existence; the chemical bond force between the strong and the dominant network structure; the pore structure of the chemical bond of the nano particles of a tight lock on the main conductive network. Thus, the silicon carbon negative electrode material has excellent electrochemical performance.

【技术实现步骤摘要】
硅碳负极材料及其制备方法
本专利技术属于储能材料
，特别涉及一种硅碳负极材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池以其比能量大、工作电压高、自放电率小、体积小、重量轻等优势，自其诞生以来，便给储能领域带来了革命性的变化，被广泛应用于各种便携式电子设备和电动汽车中。然而随着人们生活水平的提高，更高的用户体验对锂离子电池提出了更高的要求：质量更轻、使用时间更长等；为了解决上述问题必须寻找新的性能更加优异的电极材料。目前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨，但因其理论容量仅为372mAh·g-1，已不能满足用户的迫切需求；因此，更高比容量的负极材料的开发迫在眉睫。作为锂离子电池负极材料，硅材料一直备受关注。其理论容量为4200mAh·g-1，是已商业化的石墨容量的10倍以上，且具有低的嵌锂电位、低原子重量、高能量密度、价格较便宜、环境友好等优势，因此是新一代高容量负极材料的最优选择之一。但是由于硅材料本身导电性能差、且充放电过程中体积膨胀大而容易造成材料结构破坏和机械粉碎，导致其循环性能衰减快，限制了其更广泛的应用。为了解决上述问题，现有技术主要有硅颗粒纳米化、向硅基材料颗粒中加入具有优良导电性能的导电材料等等，用于提高硅基材料整体颗粒的导电性能，同时解决材料充放电过程中硅基材料机械粉碎等问题。然而纳米结构的硅基颗粒极易团聚，分散难度大；而常用的导电剂材料，通常尺寸均较小(纳米级)，且比表面积较大，分散难度更大；同时充放电过程中，硅基颗粒巨大的体积变化，对硅碳负极颗粒结构稳定性产生巨大的冲击。但时，要最大化导电剂的导电效果以及制备性能更加优良的硅基二次颗粒材料，必须确保纳米硅基颗粒与导电剂均匀分散、以及硅碳材料结构的稳定性。同时，纳米结构硅基材料与导电剂之间的粘接力较弱，在体积膨胀过程中很容易导致两种之间断开，从而影响硅碳材料的电化学性能。有鉴于此，确有必要提出一种硅碳负极材料及其制备方法，其能够将两种分散难度均较大的材料(纳米硅基颗粒、导电剂)均匀分散，同时确保两者之间紧密连接在一起(即硅碳材料结构稳定性)，从而制备得到性能优良的硅碳负极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种硅碳负极材料，包括核结构和壳结构，所述核结构为二次颗粒结构，且其中包括具有多孔结构的主导电网络以及填充于所述多孔主导电网络孔结构中的纳米一次颗粒；所述主导网络结构之间存在较强的化学键和力作用；所述化学键将所述纳米一次颗粒紧密的锁定于所述主导电网络的孔结构中。从而确保该硅碳负极材料具有优良的电化学性能。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种硅碳负极材料，包括核结构和壳结构，所述核结构为二次颗粒结构，且其中包括具有多孔结构的主导电网络以及填充于所述多孔主导电网络孔结构中的纳米一次颗粒；所述主导网络结构之间存在较强的化学键和力作用；所述化学键将所述纳米一次颗粒紧密的锁定于所述主导电网络的孔结构中。壳结构是指负极材料通用的包覆层，主要为沥青等材料包覆、碳化得到，因此本专利技术不做详细阐述。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，提供所述强键合力的键类别为氢键或/和化学键；构成所述氢键或/和化学键的含氧官能团质量占整个主导电网络结构质量的1％～40％。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述主导电网络具有柔韧性，主导电网络内部含有官能团；所述氢键或/和化学键由所述主导电网络内部含氧官能团反应而得到。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述主导电网络结构为开口石墨烯结构、开口膨胀石墨结构、蠕虫状石墨烯结构中的至少一种；所述一次颗粒包含有纳米硅基负极颗粒；所述主导电网络与所述一次颗粒之间，还可以分布有辅导电网络，所述辅导电网络将所述主导电网络与所述纳米一次颗粒紧密连接在一起。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述纳米硅基负极颗粒为纳米硅颗粒或/和纳米硅氧化化；所述一次颗粒还可以包括非纳米硅基负极颗粒；所述非纳米硅基负极颗粒为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、碳酸锂、锡基负极材料、过渡金属氮化物、锡基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金中的至少一种；所述辅导电网络由高分子材料碳化得到；所述高分子材料由高分子聚合物单体原位聚合而得到；所述辅导电网络中，还可以包括导电炭黑、超级导电碳、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑中的至少一种；本专利技术还包括一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：步骤1，前驱体制备：将一次颗粒均匀的分散于溶剂中，得到前驱体；步骤2，改性主导电网络结构制备：将具有多孔结构的主导电网络结构置于氧化环境中，接枝官能团，得到改性后的主导电网络结构；步骤3，填充：将步骤1制得的前驱体填充进入改性主导电网络结构中；步骤4，闭口：置于还原气氛下，促使接枝在主导电网络结构上的官能团发生反应，生成强键合力，将多孔主导电网络结构中的孔结构密封或部分密封；步骤5，将步骤4的产物进行包覆、碳化即得到成品硅碳负极材料。作为本专利技术硅碳负极材料制备方法的一种改进，步骤1所述的一次颗粒表面经过改性，为官能团化一次颗粒，所述官能团为羧基或/和羟基；步骤2所述接枝的官能团包括羧基、羟基、环氧基、羰基、硝基、氨基中的至少一种；步骤4所述还原环境包括添加还原剂或/和直接水热还原。作为本专利技术硅碳负极材料制备方法的一种改进，步骤1中还可以添加聚合物单体，即将一次颗粒、聚合物单体混合后捏合，得到聚合物单体均匀的分散于纳米一次颗粒表面的前驱体；此时，需要在步骤3之后进行聚合反应，所述聚合反应为将步骤3的产物，置于引发剂存在的环境中，促使分散于一次颗粒表面的聚合物单体聚合，得到高分子聚合物。作为本专利技术硅碳负极材料制备方法的一种改进，步骤1所述纳米一次颗粒中包含有纳米硅基颗粒；所述纳米一次颗粒中还可以包括非纳米硅基负极颗粒；捏合反应时还可以加入高分子聚合物、碳源组分、导电剂组分、溶剂组分；此时步骤1所述捏合过程为：将纳米一次颗粒、硅烷偶联剂、聚合物单体、溶剂1捏合，得到混合物1；将导电剂组分、表面活性剂、溶剂2捏合，得到混合物2；再将混合物1与混合物2共混，分散均匀得到前驱体浆料。作为本专利技术硅碳负极材料制备方法的一种改进，步骤3所述的填充过程为：将多孔主导电网络结构材料做预处理，所述预处理包括表面活化或/和添加表面活性剂；填充之前，将多孔主导电网络结构材料置于真空环境中抽真空，排除孔结构中的空气，为前驱体的填充腾出空间，之后置于前驱体浆料中开始填充；填充过程中，施加压强，将前驱体挤压进入孔洞中；提高温度，降低前驱体的粘度；增加机械扰动，打开孔洞口。作为本专利技术硅碳负极材料制备方法的一种改进，步骤1所述聚合物单体包括丙烯酸酯类、甲基丙烯酸酯类、苯乙烯、丙烯腈、甲基丙烯腈、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、二乙烯基苯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-丙烯酰吗啉、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、正丙烯酸己酯、2-丙烯酸环己酯、丙烯酸十二酯、二甲基丙烯酸乙二醇酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、四甘醇二丙烯酸酯、二缩三丙二醇二丙烯酸酯、乙氧化季戊四醇四丙烯酸酯、丙氧化季戊四醇丙烯酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硅碳负极材料，包括核结构和壳结构，其特征在于，所述核结构为二次颗粒结构，且其中包括具有多孔结构的主导电网络以及填充于所述主导电网络的孔结构中的纳米一次颗粒；所述主导电网络之间存在较强的键合力作用；并且通过所述键合力将所述纳米一次颗粒紧密的锁定于所述主导电网络的孔结构中。

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料，包括核结构和壳结构，其特征在于，所述核结构为二次颗粒结构，且其中包括具有多孔结构的主导电网络以及填充于所述主导电网络的孔结构中的纳米一次颗粒；所述主导电网络之间存在较强的键合力作用；并且通过所述键合力将所述纳米一次颗粒紧密的锁定于所述主导电网络的孔结构中。2.一种权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，提供强键合力的键的类别为氢键或/和化学键；构成所述氢键或/和化学键的含氧官能团的质量占整个主导电网络的质量的1％～40％。3.一种权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述主导电网络具有柔韧性，且所述主导电网络内部含有官能团；所述氢键或/和化学键由所述主导电网络内部的含氧官能团反应而得到。4.一种权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述主导电网络为开口石墨烯结构、开口膨胀石墨结构、蠕虫状石墨烯结构中的至少一种；所述纳米一次颗粒包含有纳米硅基负极颗粒；所述主导电网络与所述一次颗粒之间还分布有辅导电网络，所述辅导电网络将所述主导电网络与所述纳米一次颗粒紧密连接在一起。5.一种权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述纳米硅基负极颗粒为纳米硅颗粒或/和纳米硅氧化物颗粒；所述一次颗粒还包括非纳米硅基负极颗粒；所述非纳米硅基负极颗粒为天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、碳酸锂、锡基负极材料、过渡金属氮化物、锡基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金中的至少一种；所述辅导电网络由高分子材料碳化得到；所述高分子材料由高分子单体原位聚合得到；所述辅导电网络中，还包括导电炭黑、超级导电碳、科琴黑、碳纳米管、石墨烯、乙炔黑中的至少一种。6.一种权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，主要包括如下步骤：步骤1，前驱体制备：将一次颗粒均匀的分散于溶剂中，得到前驱体；步骤2，改性主导电网络结构制备：将具有多孔结构的主导电网络结构置于氧化环境中，接枝官能团，得到改性后的主导...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛方会，杨玉洁，
申请(专利权)人：广东烛光新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44