一种双壳硅碳材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种双壳硅碳材料，包括内核，包覆在内核外的第一壳层与包覆在第一壳层外的第二壳层；所述内核为SiOx材料和/或硅纳米颗粒；所述第一壳层为多孔金属氧化物；所述第二壳层为碳层。与现有技术相比，本发明专利技术通过在内核外包覆多孔金属氧化物，有助于缓冲内层SiOx材料和/或硅纳米颗粒较大的体积膨胀，然后在多孔金属氧化物外包覆碳层有助于形成较为稳定的SEI膜，保持SEI膜的稳定性；由此通过上述双壳结构使双壳硅碳材料既具有较高的倍率性能也具有较好的稳定性。

A Bishell Silicon Carbon Material and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种双壳硅碳材料及其制备方法
本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种双壳硅碳材料及其制备方法。
技术介绍
当前，锂离子电池作为成熟的储能单元，已经逐渐融入生活的每一个部分。生活中的手机、笔记本等电器均使用锂离子电池作为其储能单元，且近年来锂离子电池也逐渐被用在动力储能方面，如电动汽车。对锂离子电池来说，对其能量密度影响最多的因素应该是正极材料和负极材料。目前商品化使用的锂离子电池石墨负极材料存在较低的理论容量，进一步提升其容量的空间很小，远不能满足未来高容量长寿命电子设备的需求。金属及合金类材料是近年来研究较多的新型高效储锂负极材料体系，其中，硅因具有极高的理论比容量(4200mAh/g)而备受关注，但其在嵌脱锂时，体积变化较大，使得材料结构遭到破坏，电极循环性能急剧下降，从而导致电池的储能性能远远达不到应用标准。为克服这些缺陷，研究者进行了大量的尝试，采用复合化技术，利用“缓冲骨架”补偿材料膨胀。碳质负极材料在充放电过程中体积变化较小，具有较好的循环稳定性能，而且碳质负极材料本身是离子与电子的混合导体；另外，硅与碳化学性质相近，二者能紧密结合，因此碳常用作与硅复合的首选基质。在硅碳复合体系中，硅颗粒作为活性物质，提供储锂容量；碳既能缓冲充放电过程中硅负极的体积变化，又能改善硅质材料的导电性，还能避免硅颗粒在充放电循环中发生团聚。因此硅碳复合材料综合了二者的优点，表现出高比容量和较长循环寿命，有望代替石墨成为新一代锂离子电池负极材料。但目前硅碳复合材料针对硅材料的体积膨胀和倍率性能差的解决方案主要还是对硅材料进行纳米化处理，进行单层碳包覆或者是Si/SiOx/C的一种复合，不能较完善的改善。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种倍率性能较好且降低硅材料体积膨胀的双壳硅碳材料及其制备方法。本专利技术提供了一种双壳硅碳材料，包括内核，包覆在内核外的第一壳层与包覆在第一壳层外的第二壳层；所述内核为SiOx材料和/或硅纳米颗粒；所述第一壳层为多孔金属氧化物；所述第二壳层为碳层。优选的，所述内核与第一壳层的质量比为125：(0.5～1)。优选的，所述第一壳层的厚度为1～2μm；所述第二壳层的厚度为2～3μm。优选的，所述多孔金属氧化物为多孔氧化铝。本专利技术还提供了一种双壳硅碳材料的制备方法，包括：S1)将SiOx材料和/或硅纳米颗粒、水解助剂与金属醇盐在醇溶剂混合，然后滴加水，进行水解反应，得到沉淀；所述水解助剂为含氮有机物；S2)将所述沉淀在保护气氛中煅烧，得到中间产物；S3)将所述中间产物与碳源在有机溶剂中混合，喷雾干燥后，在保护气氛中煅烧，得到双壳硅碳材料。优选的，所述步骤S1)中水解助剂与金属醇盐的质量比为3：(0.5～1)；所述金属醇盐为铝醇盐；所述水与金属醇盐的质量比为2：(0.5～1)；所述步骤S3)中的碳源选自酚醛树脂、蔗糖与沥青中的一种或多种；所述有机溶剂选自乙醇、N-甲基吡咯烷酮与环己烷中的一种或多种。优选的，所述步骤S1)中滴加水的速度为0.1～1g/min。优选的，所述步骤S1)具体为：将SiOx材料和/或硅纳米颗粒与水解助剂在醇溶剂中混合10～30min，然后加入金属醇盐混合5～20min，再滴加水，进行水解反应3～5h，得到沉淀。优选的，所述步骤S2)中煅烧的温度为500℃～700℃；煅烧的时间为1～3h；煅烧的升温速率为1～10℃/min；所述步骤S3)中煅烧的温度为700℃～1000℃；煅烧的时间为10～30h；煅烧的升温速率为1～10℃/min。优选的，所述步骤S3)具体为：将所述碳源与有机溶剂混合，得到混合液；所述碳源与有机溶剂的质量体积比为(0.1～0.5)g：1ml；将所述中间产物与混合液混合，喷雾干燥后，在保护气氛中煅烧，得到双壳硅碳材料。本专利技术提供了一种双壳硅碳材料，包括内核，包覆在内核外的第一壳层与包覆在第一壳层外的第二壳层；所述内核为SiOx材料和/或硅纳米颗粒；所述第一壳层为多孔金属氧化物；所述第二壳层为碳层。与现有技术相比，本专利技术通过在内核外包覆多孔金属氧化物，有助于缓冲内层SiOx材料和/或硅纳米颗粒较大的体积膨胀，然后在多孔金属氧化物外包覆碳层有助于形成较为稳定的SEI膜，保持SEI膜的稳定性；由此通过上述双壳结构使双壳硅碳材料既具有较高的倍率性能也具有较好的稳定性。附图说明图1为本专利技术实施例1中得到的双壳硅碳材料及对比组的循环性能曲线图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，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做出创造性劳动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。本专利技术提供了一种双壳硅碳材料，包括内核，包覆在内核外的第一壳层与包覆在第一壳层外的第二壳层；所述内核为SiOx材料和/或硅纳米颗粒；所述第一壳层为多孔金属氧化物；所述第二壳层为碳层。按照本专利技术，所述双壳硅碳材料以SiOx材料和/或硅纳米颗粒为内核；所述SiOx材料的粒径优选为1～3μm。所述内核外包覆有第一壳层；所述第一壳层为多孔金属氧化物，优选为多孔氧化铝，更优选为多孔γ-Al2O3；所述第一壳层的厚度优选为1～2μm；所述内核与第一壳层的质量比优选为125：(0.5～1)。所述第一壳层外包覆有第二壳层；所述第二壳层为碳层；所述碳层的厚度优选为2～3μm。本专利技术通过在内核外包覆多孔金属氧化物，有助于缓冲内层SiOx材料和/或硅纳米颗粒较大的体积膨胀，然后在多孔金属氧化物外包覆碳层有助于形成较为稳定的SEI膜，保持SEI膜的稳定性；由此通过上述双壳结构使双壳硅碳材料既具有较高的倍率性能也具有较好的稳定性。本专利技术还提供了一种上述双壳硅碳材料的制备方法，包括：S1)将SiOx材料和/或硅纳米颗粒、水解助剂与金属醇盐在醇溶剂混合，然后滴加水，进行水解反应，得到沉淀；所述水解助剂为含氮有机物；S2)将所述沉淀在保护气氛中煅烧，得到中间产物；S3)将所述中间产物与碳源在有机溶剂中混合，喷雾干燥后，在保护气氛中煅烧，得到双壳硅碳材料。本专利技术对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。按照本专利技术，优选先将SiOx材料和/或硅纳米颗粒与水解助剂在醇溶剂中混合；所述SiOx材料的粒径优选为1～3μm；所述水解助剂为含氮有机物，优选为聚乙烯吡咯烷酮；所述醇溶剂优选为乙醇；所述醇溶剂的体积与SiOx材料和/或硅纳米颗粒的的比例优选为(200～500)ml：(100～200)g，更优选为(300～400)ml：(100～160)g，再优选为350ml：(120～130)g，最优选为350ml：125g；所述混合的时间优选为10～30min，更优选为15～25min，再优选为20min。混合后，加入金属醇盐混合；所述金属醇盐优选为铝醇盐，更优选为异丙醇铝；所述SiOx材料和/或硅纳米颗粒与金属醇盐的质量比优选为125：(0.5～1)，更优选为125：(0.6～0.8)，再优选为125：(0.6～0.7)，最优选为125：(0.66～0.68)；所述水解助剂与金属醇盐的质量比优选为3：(0.5～1)，更优选为3：(0.6～0.8)，再优选为3：(0.6～0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双壳硅碳材料，其特征在于，包括内核，包覆在内核外的第一壳层与包覆在第一壳层外的第二壳层；所述内核为SiOx材料和/或硅纳米颗粒；所述第一壳层为多孔金属氧化物；所述第二壳层为碳层。

【技术特征摘要】
1.一种双壳硅碳材料，其特征在于，包括内核，包覆在内核外的第一壳层与包覆在第一壳层外的第二壳层；所述内核为SiOx材料和/或硅纳米颗粒；所述第一壳层为多孔金属氧化物；所述第二壳层为碳层。2.根据权利要求1所述的双壳硅碳材料，其特征在于，所述内核与第一壳层的质量比为125：(0.5～1)。3.根据权利要求1所述的双壳硅碳材料，其特征在于，所述第一壳层的厚度为1～2μm；所述第二壳层的厚度为2～3μm。4.根据权利要求1所述的双壳硅碳材料，其特征在于，所述多孔金属氧化物为多孔氧化铝。5.一种双壳硅碳材料的制备方法，其特征在于，包括：S1)将SiOx材料和/或硅纳米颗粒、水解助剂与金属醇盐在醇溶剂混合，然后滴加水，进行水解反应，得到沉淀；所述水解助剂为含氮有机物；S2)将所述沉淀在保护气氛中煅烧，得到中间产物；S3)将所述中间产物与碳源在有机溶剂中混合，喷雾干燥后，在保护气氛中煅烧，得到双壳硅碳材料。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1)中水解助剂与金属醇盐的质量比为3：(0.5～1)；所述金属醇盐为铝醇盐；所述水与金属醇盐的质量比为2...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵育松，刘兆平，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33