一种硅炭复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种硅炭复合材料的制备方法，以竹炭为原料，经过热处理制成多孔结构的硬炭，然后与纳米金属硅和硅溶胶液相混合，经过干燥、动态烧结，得到硅炭复合材料。与现有技术相比，多孔的硬炭结构，限制了氧化亚硅在充放电过程中的体积膨胀而引起的粉化问题，保证了氧化亚硅在充放电过程中结构稳定性，改善了氧化亚硅材料因结构粉化问题引起的循环衰减问题，从而保证了材料优异的循环性能，且竹炭经过特殊的石墨化后为硬炭结构，具有良好的快速充电和高低温性能，综合提高了硅炭复合材料的性能，从很大程度上提高了锂离子电池的容量及其综合性能，具有广泛的应用空间。

A preparation method of silicon carbon composite

【技术实现步骤摘要】
一种硅炭复合材料的制备方法
本专利技术涉及复合材料
，尤其涉及一种硅炭复合材料的制备方法。
技术介绍
2018年，锂电池销售收入达到1882亿元左右，到2019年将跨过2000亿元大关，2021年超过3000亿元。GGII数据显示2018年中国锂电池总出货量102GWh，同比增长27%，其中动力电池出货量占比63.7%，主要是动力电池出货量同比46%的增长。按此推算石墨类负极10万吨，动力电池负极材料市场规模约40亿元；中国动力电池产能2016年已达到101GWh，2020年更将达到近250GWh，到2025年，动力电池需求量将达到310GWh，相应负极材料需求量将达31万吨。高品质硅炭类石墨负极的批量生产会促使锂电池技术的全面提升，真正大幅提高续航里程、加快充电速度、降低客户使用成本，最终会使锂电市场规模做强、做大，如采用硅炭负极，市场规模将达到400亿元以上。经过近五年的发展，我国新能源产业已从培育期过渡到了快速增长期，汽车的电动化已成为未来汽车产业发展的主流技术。然而，电动汽车性能仍受到电源技术的局限，在目前技术水平下，电池的性能仍不能满足电动汽车长续航、快速充电的要求。基于此，为满足电动汽车300至400公里的续航里程要求，国家工信部于2016年出台了锂离子电池发展路线图，提出至2025年我国动力电池的能量密度须达到350Wh/kg。要实现这一目标，负极材料的比容量必须达到600mAh/g至800mAh/g，而目前通用的石墨负极材料的实际比容量已经接近其理论值(372mAh/g)，无进一步提升空间。因此，发展新型高比容量、长循环寿命的负极材料体系已经成为锂离子电池研究领域的核心任务。在众多新型负极材料中，硅材料具有极高的理论比容量(4200mAh/g)、理想的工作电位(<0.5VvsLi/Li+)和丰富的地壳储量，是下一代锂离子电池理想的负极材料。在锂离子电池中，硅负极的工作机制是硅锂间的电化学合金化反应，充电时，硅锂形成合金，这时硅体积膨胀（膨胀率达到310%），并在电极与电解液接触界面形成SEI膜；放电时，合金去锂化，硅负极收缩，然而，因SEI膜自身缺乏弹性并且强度较低，无法承受硅体积变化，从而产生裂纹，使得硅表面与SEI膜间形成空隙，而再次充电时，裸露的硅表面与电解液再次接触，产生新的SEI膜。这一呼吸式的过程在充放电循环中反复进行，造成SEI膜的不断增厚，并消耗电解液和锂，使材料库伦效率降低、容量衰减，严重时甚至会造成硅颗粒破碎，并从集流体上剥离。因此，解决其循环时界面的不稳定问题是实现硅负极产业化应用的关键。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种硅炭复合材料的制备方法，具有高容量、长寿命和良好的高低温性能。有鉴于此，本专利技术提供一种硅炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：将竹炭热处理，得到多孔结构的硬炭；将所述硬炭、纳米金属硅和硅溶胶进行液相混合，干燥，动态烧结，得到硅炭复合材料。优选的，所述竹炭热处理的升温速率为100-200℃/小时，热处理温度为2000℃以上，保温时间为10小时以上。优选的，所述液相混合的步骤具体为：将溶剂与固含量为30%的硅溶胶混合，加入纳米金属硅，搅拌均匀后加入多孔的硬炭，并搅拌均匀，然后加入硬炭。优选的，所述纳米金属硅与硅溶胶的质量比为14-15:100。优选的，纳米金属硅和硅溶胶的总量与多孔硬炭的质量比为5-300:100。优选的，所述纳米金属硅的最大粒径＜200nm。优选的，所述烧结步骤为：在绝氧的环境下，将干燥后的材料置于回转炉中进行烧结，由室温升温至1100-1300℃，保温5-100小时，降温至800-1000℃，保温5-100小时，冷却。优选的，所述动态烧结为材料在炉体内部呈运动状态的烧结方式。优选的，还包括：将冷却后的材料进行打散，所述材料最大粒度小于45μm，平均粒径为10-25μm。优选的，以所述硅炭复合负极材料作为锂离子电池的负极材料，容量为380-800mAh/g，循环寿命为每100个循环衰减小于3%。本专利技术提供一种硅炭复合材料的制备方法，以竹炭为原料，经过热处理制成多孔结构的硬炭，然后与纳米金属硅和硅溶胶液相混合，经过干燥、动态烧结，最终得到硅炭复合材料。与现有技术相比，多孔的硬炭结构，限制了氧化亚硅在充放电过程中的体积膨胀而引起的粉化问题，保证了氧化亚硅在充放电过程中结构稳定性，改善了氧化亚硅材料因结构粉化问题引起的循环衰减问题，从而保证了材料优异的循环性能，且竹炭经过特殊的石墨化后为硬炭结构，具有良好的快速充电和高低温性能，综合提高了硅炭复合材料的性能，从很大程度上提高了锂离子电池的容量及其综合性能，具有广泛的应用空间。实验结果表明，以本专利技术制备的硅炭复合负极材料作为锂离子电池的负极材料，容量为380-800mAh/g，首次效率大于91%，循环寿命为每100个循环衰减小于3%。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。本专利技术实施例公开了一种硅炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：将竹炭热处理，得到多孔结构的硬炭；将所述硬炭、纳米金属硅和硅溶胶进行液相混合，干燥，动态烧结，得到硅炭复合材料。作为优选方案，所述竹炭热处理的升温速率为100-200℃/小时，优选的，所述升温速率为100℃/小时；热处理温度为2000℃以上，优选为2200℃；保温时间为10小时以上。本专利技术以竹炭为原料，经过热处理制成多孔结构的硬炭，利用竹炭的多孔结构限制硅的膨胀，且竹炭原料易得，易实现产业化生产。并且本专利技术采用的升温速率有利于炭形成硬炭结构，而非石墨结构，从以保证材料的高低温性能。所述的液相混合，是讲三种材料均匀的混合在液体溶剂中，即将液相溶剂与固含量为30%的硅溶胶混合均匀后，加入纳米金属硅搅拌均匀后，加入硬炭并搅拌均匀，得到均匀的的液相混合物。所述的溶剂优选为酒精、水等易挥发、无污染的液相溶剂的一种或几种。所述纳米金属硅和硅溶胶的添加量的多少，决定着硅炭的容量。所述纳米金属硅与硅溶胶的质量比优选为14-15:100；纳米金属硅和硅溶胶的总量与多孔硬炭的质量比优选为5-300:100，更优选为10-200:100；纳米金属硅的最大粒径＜200nm。本专利技术中的硅溶胶为小粒径的纳米硅，可以是酸性、碱性或中性。本专利技术对混合物优选采用喷雾干燥、冷冻干燥、桨叶干燥、鼓风干燥等方式进行干燥。作为优选方案，所述动态烧结为材料在炉体内部呈运动状态的烧结方式，所述烧结步骤优选为：在绝氧的环境下，将干燥后的材料置于回转炉中进行烧结，由室温升温至1100-1300℃，保温5-100小时，降温至800-1000℃，保温5-100小时，随炉温冷却。更优选的，在绝氧的环境下，将干燥后的材料置于回转炉中进行烧结，由室温升温至1100，升温时间为6小时，在1100℃保温10-30小时，降温至800本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n将竹炭热处理，得到多孔结构的硬炭；/n将所述硬炭、纳米金属硅和硅溶胶进行液相混合，干燥，动态烧结，得到硅炭复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将竹炭热处理，得到多孔结构的硬炭；
将所述硬炭、纳米金属硅和硅溶胶进行液相混合，干燥，动态烧结，得到硅炭复合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述竹炭热处理的升温速率为100-200℃/小时，热处理温度为2000℃以上，保温时间为10小时以上。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液相混合的步骤具体为：
将溶剂与固含量为30%的硅溶胶混合，加入纳米金属硅，搅拌均匀后加入多孔的硬炭，并搅拌均匀，然后加入硬炭。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米金属硅与硅溶胶的质量比为14-15:100。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，纳米金属硅和硅溶胶的总量与多孔硬炭的质量比为5-300:100。

【专利技术属性】
技术研发人员：王金枝，刘成全，魏洪文，谷亦杰，
申请(专利权)人：青岛瀚博电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37