一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：S1.将金属硅化合物热分解得到粉末混合物；S2.将所述粉末混合物进行酸洗后得到多孔硅颗粒；S3.采用烃类气体裂解对多孔硅颗粒进行碳包覆，制得碳包覆的多孔硅复合材料。本发明专利技术制备的碳包覆的多孔硅复合材料，缓解了硅负极材料在充电过程中体积膨胀现象，有效地防止硅颗粒结构破裂。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法
本专利技术涉及锂电池材料领域，尤其涉及一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池因其具有工作电压高、比能量高、容量大、自放电小、循环性好、使用寿命长、重量轻、体积小等突出优点而成为移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备的理想电源。为了满足使用要求，高容量、长寿命锂离子电池成为锂离子电池发展的一个重要研究方向。由于正极材料的比容量相对较低，容量的提升空间不大，故高容量锂离子电池的研制工作主要集中在负极材料。现有商业上使用的负极材料为碳材料，其理论比容量仅有372mAh/g，因此寻找替代碳的高容量负极材料成为一个重要的研究方向。目前商用锂离子电池的负极材料主要为石墨，由于其理论比能量低(372mAh/g)，而且高倍率充放电性能差，是锂离子电池进一步发展的绊脚石。相比于传统石墨在嵌入锂之后形成LiC6插层化合物，硅作为负极材料,通常与锂合金化形成Li22Si5金属间化合物，其理论比容量高达3572mAh/g。但硅作为锂离子电池负极材料也有缺点：(1)硅材料容易发生体积膨胀和收缩，影响电循环性能：硅是半导体材料，自身的电导率较低，在电化学循环过程中，锂离子的嵌入和脱出会使材料体积发生300％以上的膨胀与收缩，产生的机械作用力会使材料逐渐粉化，造成结构坍塌，最终导致电极活性物质与集流体脱离，丧失电接触，导致电池循环性能大大降低；(2)使用过程中，硅材料易腐蚀，容量衰减：由于硅材料的体积效应，在电解液中难以形成稳定的固体电解质界面(SEI)膜，伴随着电极结构的破坏，在暴露出的硅表面不断形成新的SEI膜，加剧了硅的腐蚀和容量衰减。由于硅自身存在这种严重的体积效应，严重制约硅负极材料的产业化道路。为适应现代社会对高容量、高密度锂离子电池的需要，需采用很多技术用来改善硅负极材料的上述缺陷。比较典型的技术有：将纳米Si与石墨类进行机械复合；通过化学气相沉积在硅颗粒上涂覆碳层；通过含硅物质进行化学反应合成含硅材料。通过化学合成手段制备的含硅材料，因内部结构比较均匀，材料表现出了相对优异的电循环性能。上述的现有技术方法仍旧不能满足市场对该类材料的需要，因此，有必要提供一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：S1.将金属硅化合物热分解得到粉末混合物；S2.将所述粉末混合物进行酸洗后得到多孔硅颗粒；S3.采用烃类气体裂解对多孔硅颗粒进行碳包覆，制得碳包覆的多孔硅复合材料。优选地，所述步骤S1具体包括：S101.取适量的金属硅化合物均匀平铺在陶瓷舟内，并置于开放的管式炉内部；S102.将管式炉升温至300-1000℃，并在此温度下保温5-20h，进行热分解；S103.待反应结束后自然冷却，得到粉末混合物；优选地，所述步骤S2具体包括：S201.将所述粉末混合物加入到酸溶液进行酸洗，然后过滤至滤液PH值<7；S202.采用去离子水与乙醇交替洗涤滤饼后烘干，可有效除去可溶性杂质，得到纯度较高的多孔硅颗粒。优选地，所述步骤S3具体包括：S301.将所述多孔硅颗粒均匀平铺在陶瓷舟内，向管式炉中同时通入惰性气体和烃类气体，可使两种气体混合均匀，并有效避免包覆层过厚，将管式炉升温至300-1000℃，并在此温度下保温1-20h；S302.待反应结束后关闭所述烃类气体，使产品在惰性气氛的保护下自然冷却，得到碳包覆的多孔硅复合材料。可防止得到的产物与空气中其他气体发生反应，有效避免引入其他杂质。优选地，所述惰性气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气和氙气中的一种或多种。优选地，所述惰性气体与所述烃类气体流量比为20:1-1:1。优选地，所述管式炉的升温速率为1-10℃/min。优选地，所述金属硅化合物为硅化铝、硅化镁、硅化铁或硅化铜。优选地，所述酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、次氯酸、高氯酸、乙酸、丙酸、酒石酸或柠檬酸。优选地，所述烃类气体为甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、乙炔或丙炔。优选地，所述复合材料中碳含量30～40％，包覆层厚度为5～20nm，孔径为50～70nm。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术制备的碳包覆的多孔硅复合材料，缓解了硅负极材料在充电过程中体积膨胀现象，有效地防止硅颗粒结构破裂；(2)本专利技术制备出具有纳米结构的多孔硅基底材料，并在其外部进行碳包覆，进一步缓冲了充电后硅体积的膨胀应力；(3)本专利技术在多孔硅颗粒外部包覆碳材料，可防止硅颗粒的再次团聚，并且碳材料的导电性较好，促进电子传输，有利于提高电化学反应速率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1是本专利技术实施例1的一种碳包覆的多孔硅复合材料组装成电池后的比容量循环曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术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专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1本专利技术公开了一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法，包括如下步骤：S1.将金属硅化合物热分解得到粉末混合物；具体包括：S101.取0.5g硅化铝均匀平铺在陶瓷舟内，并置于开放的管式炉内部；S102.将管式炉以5℃/min升温至700℃，并在此温度下保温8h，进行热分解；S103.待反应结束后自然冷却，得到硅单质及氧化铝粉末混合物；S2.将所述粉末混合物进行酸洗后得到多孔硅颗粒；具体包括：S201.将所述粉末混合物加入到过量的10％稀盐酸溶液中进行酸洗，然后过滤至滤液PH值<7；S202.采用去离子水与乙醇交替洗涤滤饼后烘干，可有效除去可溶性杂质，得到纯度较高的多孔硅颗粒。S3.采用烃类气体裂解对多孔硅颗粒进行碳包覆，制得碳包覆的多孔硅复合材料，具体包括：S301.将0.1g多孔硅颗粒均匀平铺在陶瓷舟内，向管式炉中同时通入氩气和乙炔，可使两种气体混合均匀，并有效避免包覆层过厚，所述氩气和乙炔的流量比为5:1，将管式炉以5℃/min升温至500℃，并在此温度下保温5h；S302.待反应结束后关闭所述乙炔气体，使产品在氩气气氛的保护下自然冷却，得到碳包覆的多孔硅复合材料。可防止得到的产物与空气中其他气体发生反应，有效避免引入其他杂质。其中，得到复合材料中碳含量30％，包覆层厚度为5nm，孔径为70nm。将本实施例制备的碳包覆的多孔硅复合材料组装成电池并进行测试。将0.8g碳包覆的多孔硅复合材料、0.1g乙炔黑和0.1g聚偏氟乙烯加入到N-甲基吡咯烷酮中进行搅拌分散得到正极浆料，经涂覆、干燥处理后得到电池正极片，以锂片为负极，采用Celgard2400隔膜，并滴加25μl电解液，在手套箱中组装成CR2032纽扣电池，并进行相应的测试，具体条件为：充放电截止电压为0.01V～1.2V(vs.Li/Li+)。其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将金属硅化合物热分解得到粉末混合物；S2.将所述粉末混合物进行酸洗后得到多孔硅颗粒；S3.采用烃类气体裂解对多孔硅颗粒进行碳包覆，制得碳包覆的多孔硅复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.将金属硅化合物热分解得到粉末混合物；S2.将所述粉末混合物进行酸洗后得到多孔硅颗粒；S3.采用烃类气体裂解对多孔硅颗粒进行碳包覆，制得碳包覆的多孔硅复合材料。2.根据权利要求1所述的一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：S101.取适量的金属硅化合物均匀平铺在陶瓷舟内，并置于开放的管式炉内部；S102.将管式炉升温至300-1000℃，并在此温度下保温5-20h，进行热分解；S103.待反应结束后自然冷却，得到粉末混合物。3.根据权利要求1或2所述的一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：S201.将所述粉末混合物加入到酸溶液进行酸洗，然后过滤至滤液PH值<7；S202.采用去离子水与乙醇交替洗涤滤饼后烘干，得到多孔硅颗粒。4.根据权利要求3所述的一种碳包覆的多孔硅复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：S301.将所述多孔硅颗粒均匀平铺在陶瓷舟内，向管式炉中同时通入惰性气体...

【专利技术属性】
技术研发人员：张芳芳，赵亚，刘桐桐，杨冬生，翟博，刘俊军，
申请(专利权)人：浙江衡远新能源科技有限公司，山东衡远新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33