硅碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅碳复合材料及其制备方法，涉及电池材料技术领域。本发明专利技术的硅碳复合材料的制备方法采用二甲基二氯硅烷、三甲基二氯硅烷作为硅源，采用苯或甲苯作为碳源，分别选择石墨球、石墨烯、碳纳米管作为碳基体，通过化学气相沉积方法，合成硅碳复合材料。复合材料中的碳基提高了材料的电导率，而沉积的无定型碳构成的网络结构将硅和碳基体稳定连接，有效的缓解了硅电极在充放电过程中的膨胀，保证了电极材料的稳定性。硅源和碳源中不含氧元素，所得硅碳复合材料中氧含量降低，可以降低硅碳复合材料的不可逆容量。

Silicon carbon composite and its preparation

The invention discloses a silicon carbon composite material and a preparation method thereof, which relates to the technical field of battery materials. The preparation method of the silicon carbon composite material adopts dimethyldichlorosilane and trimethyldichlorosilane as silicon source, benzene or toluene as carbon source, graphite ball, graphene and carbon nanotube as carbon matrix respectively, and the silicon carbon composite material is synthesized by chemical vapor deposition method. The carbon matrix in the composite improves the conductivity of the material, while the network structure composed of deposited amorphous carbon connects silicon and carbon matrix stably, which effectively relieves the expansion of silicon electrode in the process of charging and discharging, and ensures the stability of the electrode material. Silicon and carbon sources do not contain oxygen element, so the content of oxygen in the resulting silicon carbon composite decreases, which can reduce the irreversible capacity of silicon carbon composite.

【技术实现步骤摘要】
硅碳复合材料及其制备方法
本专利技术涉及电池材料
，具体而言，涉及硅碳复合材料及其制备方法。
技术介绍
目前已经商业化的锂离子电池材料石墨，其容量开发值已接近理论容量。为了追求更高容量，硅是理论比容量最大的负极材料。硅材料常用的有效方法之一就是将硅分散在碳的基体中，合成硅碳复合材料。但现有技术中的硅碳复合材料的不可逆容量较高。鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种硅碳复合材料及其制备方法，以改善现有技术中硅碳复合材料不可逆容量较高的问题。本专利技术是这样实现的：第一方面，本专利技术实施例提供一种硅碳复合材料的制备方法，将硅源、碳源通过化学气相沉积的方法沉积于碳基体，以得到硅碳复合材料；其中，所述硅源为二甲基二氯硅烷或三甲基二氯硅烷，所述碳源为苯或甲苯，所述碳基体为石墨球、石墨烯或碳纳米管。在可选的实施方式中，在所述化学气相沉积的过程中使用催化剂，所述催化剂为铜、铂、金、银中的至少一种。在可选的实施方式中，所述催化剂为片状，进行所述化学气相沉积时，所述碳基体放置于片状的所述催化剂上。在可选的实施方式中，所述催化剂为颗粒状，进行所述化学气相沉积时，颗粒状的所述催化剂分散于所述碳基体上。在可选的实施方式中，颗粒状的所述催化剂的中值粒径为20～200微米。在可选的实施方式中，所述化学气相沉积的步骤在石英管中进行，气态的所述硅源和所述碳源经过洗气，去除杂质之后进入所述石英管中进行沉积。在可选的实施方式中，所述化学气相沉积之后的尾气通入氢氧化钠溶液中吸收。在可选的实施方式中，所述化学气相沉积的温度为900℃～1100℃。在可选的实施方式中，所述化学气相沉积的持续时间为3h～7h。第二方面，本专利技术实施例提供一种硅碳复合材料，通过前述实施方式中任一项所述的硅碳复合材料的制备方法制得。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术实施例采用二甲基二氯硅烷、三甲基二氯硅烷作为硅源，采用苯或甲苯作为碳源，分别选择石墨球、石墨烯、碳纳米管作为碳基体，通过化学气相沉积方法，合成硅碳复合材料。复合材料中的碳基提高了材料的电导率，而沉积的无定型碳构成的网络结构将硅和碳基体稳定连接，有效的缓解了硅电极在充放电过程中的膨胀，保证了电极材料的稳定性。硅源和碳源中不含氧元素，所得硅碳复合材料中氧含量降低，可以降低硅碳复合材料的不可逆容量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。图1为本专利技术实施例中化学气相沉积的装置图；图2为碳纳米管与本专利技术实施例1的碳硅复合材料的XRD图谱；图3为碳纳米管与本专利技术实施例1的碳硅复合材料的SEM图；图4为本专利技术实施例1的碳硅复合材料的XPS图；图5为碳纳米管与本专利技术实施例1的碳硅复合材料的首次充放电曲线图；图6为碳纳米管与本专利技术实施例1的碳硅复合材料的循环和效率曲线。图标：10-石英管；12-洗气瓶；14-碳基体；16-烧杯；18-载体。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。本专利技术实施例提供一种碳硅复合材料及其制备方法。该制备方法包括：将硅源、碳源通过化学气相沉积的方法沉积于碳基体，以得到硅碳复合材料。其中，所述硅源为二甲基二氯硅烷或三甲基二氯硅烷，所述碳源为苯或甲苯，所述碳基体为石墨球、石墨烯或碳纳米管。本专利技术实施例选取二甲基二氯硅烷或者三甲基二氯硅烷，作为硅源，其毒性较小，来源广泛，价格便宜。减小了生产的成本压力、安全风险。苯和甲苯在气相沉积合成中作为碳源，比如本专利技术实施例中将甲苯(或苯)和DMDCS(二甲基二氯硅烷)按一定体积比例混合好，两者相容性较好，并且甲苯在保护DMDCS不被水解的前提下同时作为沉积的碳源，另外，碳源和硅源中不含氧元素，所得碳硅复合材料中氧含量降低，可以降低碳硅复合材料的不可逆容量。图1为本专利技术实施例中化学气相沉积的装置图。如图1所示，首先将碳基体14以及化学气相沉积所需的催化剂提前放入到石英管10中的载体18(用于承载待气相沉积的目标物)上，然后持续通入惰性气体(比如氩气)，将石英管10内的空气排尽，避免发生氧化等反应。在本专利技术实施例中，催化剂可以是铂、金、铜、银中的至少一种，或者两种以上的混合物。催化剂的形式可以是片状，碳基体放置于片状的催化剂上；催化剂的形式也可以是颗粒状，以增加其有效的作用面积。颗粒状的催化剂的中值粒径可以为20-200微米。采用气相沉积方法合成纳米材料过程中，催化剂的组分、含量及分布对合成的产物的形貌和结构有至关重要的影响，不同催化剂颗粒的形貌会合成出不同微观结构的纳米材料，催化剂颗粒尺寸决定催化剂活性的高低，催化剂颗粒分布决定了是否会发生团聚。以铜催化剂为例，高温使铜表面的铜原子起到催化作用。当催化剂在沉淀过程中被包埋失效时，铜片可以源源不断提供新的催化活性点。持续通入保护气体，并对石英管10加热，升至沉积温度。保护气体可以是氩气、氦气等。此时向石英管10内输送碳源和硅源。在图1所示实施方式中，碳源和硅源在进入到石英管10之前通过洗气瓶12洗去杂质。在本专利技术实施例中，可选的，保护气体与碳源、硅源一起输送，保护气体可作为碳源、硅源的载气。当输送碳源、硅源时，气路经过洗气瓶12，当停止碳源、硅源的输送时，可以仅从上方的气路(不经过洗气瓶)向石英管10输送保护气体。在化学气相沉积过程中，沉积温度可选为900℃～1100℃，比如900℃、1000℃、1100℃或任意两点的中间值，沉积时间可选为3h～7h，比如3h、5h、7h或任意两点的中间值。气流量可以选择在120ccm～150ccm，比如120ccm、130ccm、150ccm或任意两点的中间值。化学气相沉积的尾气通入石英管10下游的烧杯16中进行吸收，烧杯16中盛装有氢氧化钠溶液。当化学气相沉积结束之后，停止通入碳源、硅源，继续通入保护气体，直至降至室温。取出沉积完毕得到的碳硅复合材料以及催化剂，催化剂洗净后可以再次利用。以下结合各具体的实施例对本专利技术的特征和性能作进一步的详细描述。实施例1本实施例提供一种硅碳复合材料的制备方法，包括：将载体清洗后平放在管式炉内石英管加热区，将作为碳基体的碳纳米管和作为催化剂的铜片放在所述载体上，当然，载体本身也可以为铜质。首先在管内通氩气30分钟，排尽管内空气。保持氩气持续通入，按照5℃/min升温速率，升至沉积温度1000℃。此时开启溶液气路(经过洗气瓶)，通过载气氩气将二甲基二氯硅烷和甲苯带入石英管中，保温沉积5h，气流量稳定在120ccm。石英管排出的尾气通入氢氧化钠溶液中吸收。沉积反应完成后，关闭溶液气路，持续通氩气，直至降至室温。此时可取出碳硅复合材料，并取出石英管中的铜片，进行洗涤、待测。实施例2本实施例提供一种硅碳复合材料的制备方法，包括：将作为碳基体的碳纳米管以及铜片平铺在清洁的载体上，然后将载体平放在石英管中，将管置于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，将硅源、碳源通过化学气相沉积的方法沉积于碳基体，以得到硅碳复合材料；其中，所述硅源为二甲基二氯硅烷或三甲基二氯硅烷，所述碳源为苯或甲苯，所述碳基体为石墨球、石墨烯或碳纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，将硅源、碳源通过化学气相沉积的方法沉积于碳基体，以得到硅碳复合材料；其中，所述硅源为二甲基二氯硅烷或三甲基二氯硅烷，所述碳源为苯或甲苯，所述碳基体为石墨球、石墨烯或碳纳米管。2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述化学气相沉积的过程中使用催化剂，所述催化剂为铜、铂、金、银中的至少一种。3.根据权利要求2所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述催化剂为片状，进行所述化学气相沉积时，所述碳基体放置于片状的所述催化剂上。4.根据权利要求2所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述催化剂为颗粒状，进行所述化学气相沉积时，颗粒状的所述催化剂分散于所述碳基体上。5.根据权利要求4所述的硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓磊，白岩，成信刚，
申请(专利权)人：北方奥钛纳米技术有限公司，银隆新能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13