一种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，所述核结构与所述壳结构之间设置有过渡层；所述过渡层与所述核结构表面紧密连接；所述过渡层与所述壳结构内表面紧密连接。核结构与壳结构之间，通过过渡层紧密的连接在一起，从而确保硅碳负极材料在整个循环过程中核结构与壳结构都紧密的连接在一起，最终获得电化学性能优良的硅碳负极材料。

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 shell structure between the nuclear structure and the shell structure is provided with a transition layer; the transition layer is closely connected with the nuclear structure surface; the transition layer and the inner surface of the shell structure closely connection. Between the nuclear structure and shell structure, the transition layer is tightly connected together, so as to ensure that the silicon and carbon cathode material in the whole process of nuclear structure and shell structure are closely connected together, finally get the silicon and carbon cathode material with good electrochemical performance.

【技术实现步骤摘要】
一种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；之后再进行表面包覆，提高材料的稳定性，同时解决材料充放电过程中硅基材料机械粉碎等问题。然而由于表面包覆层和内层之间，材料性能差别较大，因此很难形成结合完美的包覆层结构，从而使得包覆层与内层之间结合力较差，影响硅碳负极材料的性能。有鉴于此，确有必要提出一种硅碳负极材料及其制备方法，其能够改善包覆层与内层(核结构)之间的结合力，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，所述核结构与所述壳结构之间设置有过渡层；所述过渡层与所述核结构表面紧密连接；所述过渡层与所述壳结构内表面紧密连接。核结构与壳结构之间，通过过渡层紧密的连接在一起，从而确保硅碳负极材料在整个循环过程中核结构与壳结构都紧密的连接在一起，最终获得电化学性能优良的硅碳负极材料。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，所述核结构与所述壳结构之间设置有过渡层；所述过渡层与所述核结构表面紧密连接；所述过渡层与所述壳结构内表面紧密连接；所述过渡层具有多孔碳材料结构，为离子导通体。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述核结构表层带有官能团，即核结构表层经过改性，官能团为急性官能团，包括烷烃、烯烃、醚类、硝基化合物、二甲胺、脂类、酮类、醛类、硫醇、胺类、酰胺、醇类、酚类、羧酸类中的至少一种。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述过渡层与所述核结构表层所带官能团之间存在强相互作用；所述过渡层与所述壳结构内层之间有机结合在一起。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述核结构为一次颗粒结构或二次颗粒结构；所述核结构中含有硅基组分。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述一次颗粒结构的粒径D1，D1≥1μm；所述二次颗粒结构中包含纳米一次颗粒结构，二次颗粒结构粒径D2，D2≥1μm，纳米一次颗粒结构粒径d2，d2≤1μm；所述纳米一次颗粒结构中，好可以包含天然石墨、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、钛酸锂、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。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述壳结构为传统壳结构层或/和单体原位聚合得到的聚合物碳化结构层。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述传统壳结构层为传统包覆层原料炭化得到；所述传统包覆层原料为酚醛树脂、密胺树脂、过氯乙烯、沥青、聚乙烯、硬脂酸、PVC、聚丙烯腈、天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、纳米氧化铜、纳米氧化镁、纳米氧化钛、纳米氧化铝、纳米石墨、石墨片中的至少一种；所述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酯、双-三羟基丙烷四丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯、丙氧化甘油三丙烯酸酯、三(2-羟乙基)异氰脲酸三丙烯酸酯三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯中的至少一种。作为本专利技术硅碳负极材料的一种改进，所述过渡层可以为多孔结构，孔隙率为1％-80％。本专利技术还包括一种硅碳负极材料的制备方法，主要包括如下步骤：步骤1，核结构表面官能团化：将核结构表面进行官能团化待用；步骤2，选择具有极性官能团的聚合物材料，配制成浆料待用；步骤3，将步骤2得到的浆料包覆于步骤1所述官能团化的核结构表面，之后碳化；步骤4，在步骤3得到的产物表面包覆壳结构前驱体，之后碳化，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所述官能团化包括羟基化或/和者烧结部分氧化；步骤2所述极性官能团包括烷烃(—CH3，—CH2—)、烯烃(—CH＝CH—)、醚类(—O—CH3，—O—CH2—)、硝基化合物(—NO2)、二甲胺(CH3—N—CH3)、脂类(—COOR)、酮类(—CO—)、醛类(—CHO)、硫醇(—SH)、胺类(—NH2)、酰胺(—NHCO—CH3)、醇类(—OH)、酚类(＜Ar—OH)、羧酸类(—COOH)中的至少一种，所述聚合物只含有上述极性官能团的高分子材料，步骤1所述官能团与步骤2所述官能团为相似的官能团(即官能团之间具有相同或相近的极性)，两者之间具有“相似相容”效应。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所述核结构为一次颗粒结构或二次颗粒结构，所述核结构中含有硅基组分；步骤4所述壳结构前驱体包括传统包覆层或/和聚合物单体。作为本专利技术硅碳负极材料制备方法的一种改进，当步骤2所述的浆料中，含有聚合物单体时，所述步骤3完成包覆后，需将产物置于含有引发剂(引发剂为异丙苯过氧化氢、特丁基过氧化氢、过氧化二异丙苯、过氧化二特丁基、过氧化二苯甲酰、过氧化十二酰、过氧化苯甲酸特丁酯、过氧化特戊酸特丁酯、过氧化二碳酸二异丙酯、过氧化二碳酸二环己酯中的至少一种)的环境中，促使单体聚合生成聚合物，之后再进行碳化。作为本专利技术硅碳负极材料制备方法的一种改进，还可以在步骤2配制的浆料中加入发泡剂，此时得到的过渡层为多孔结构的过渡层；所述发泡剂包括有机发泡剂或/和无机发泡剂，且可以通过控制添加发泡的量，来控制过渡层结构中的孔隙率；所述有机发泡剂包括偶氮化合物、磺酰肼类化合物、亚硝基化合物中的至少一种；所述无机发泡剂碳酸盐、水玻璃、碳本文档来自技高网...

【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，所述核结构与所述壳结构之间设置有过渡层；所述过渡层与所述核结构的外表面紧密连接；所述过渡层与所述壳结构的内表面紧密连接，所述核结构中含有硅基组分。

【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，所述核结构与所述壳结构之间设置有过渡层；所述过渡层与所述核结构的外表面紧密连接；所述过渡层与所述壳结构的内表面紧密连接，所述核结构中含有硅基组分。2.一种权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述核结构表层带有官能团。3.一种权利要求2所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述过渡层与所述核结构表层所带官能团之间存在强相互作用；所述过渡层与所述壳结构的表层之间有机结合在一起。4.一种权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述核结构为一次颗粒结构或二次颗粒结构。5.一种权利要求4所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述一次颗粒结构的粒径为D1，且D1≥1μm；所述二次颗粒结构中包含纳米一次颗粒结构，所述二次颗粒结构的粒径为D2，且D2≥1μm，所述纳米一次颗粒结构的粒径为d2，且d2≤1μm；所述纳米一次颗粒结构中包含天然石墨、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、钛酸锂、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。6.一种权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述壳结构为传统壳结构层或/和单体原位聚合得到的聚合物碳化结构层。7.一种权利要求6所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述传统壳结构层为传统包覆层原料炭化得到；所述传统包覆层原料为酚醛树脂、密胺树脂、过氯乙烯、沥青、聚乙烯、硬脂酸、PVC、聚丙烯腈、天然橡胶、丁苯橡胶、顺丁橡胶、乙丙橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、纳米氧化铜、纳米氧化镁、纳米氧化钛、纳米氧化铝、纳米石墨、石墨片中的至少一种；所述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、...

【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