一种分级结构硅碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种分级结构硅碳复合材料及其制备方法和用途。所述硅碳复合材料包括硅基材料和碳材料，所述硅基复合材料具有类球形的形貌，所述类球形的形貌由所述硅基材料和碳材料以片状的形式互相穿插再二次组装形成。制备时，将硅基材料与无机碳源混合、球磨，得到硅基材料与无机碳源的复合材料；再将复合材料与有机碳源溶液混合搅拌，离心分离后，烘干、煅烧，得到所述硅碳复合材料。该方法主要利用物理方法，具有低成本、易操作等特征。本发明专利技术制备得到的硅碳复合材料具有较高的导电性能，与纯硅基材料性能相比，有效提升了首周库伦效率，改善了电化学循环稳定性。

A graded structure silicon carbon composite and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种分级结构硅碳复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于复合材料领域，涉及锂离子电池负极材料，具体涉及一种分级结构硅碳复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
在锂离子电池中硅被视为实现高比能电池的重要负极材料。它的理论比容量(Li22Si5时为4200mAh·g-1，Li15Si4时为3580mAh·g-1)比传统石墨负极高10倍(石墨为350-365mAh·g-1)。此外，硅对环境无污染，储量丰富。然而，经过20年的研发，人们认识到高容量硅负极材料在锂离子电池中的应用仍然十分困难。Si在充电和放电过程中会发生300％的体积变化，巨大的体积变化会导致活性材料从集流体上剥落，颗粒之间电接触损失，以及出现不稳定的固体电解质界面(SEI)。这些都会造成容量的衰减，倍率性能变差。SiO相比于Si负极虽然理论比容量较低，但循环稳定性较高且价格低廉，是硅基材料中最具商业化前景的一个负极材料。但是SiO仍然有150％的体积膨胀，导电性差等缺点，也大大限制了其在锂离子电池中的应用。为了改善这些缺点，大量工作通过将导电性优异的纳米材料与SiO复合，或者和采用导电性和机械性能较好的材料进行表面包覆来提升性能。其中SiO-C复合材料因其成本低廉、导电性优异成为了主要的研究方向。传统的SiO-C复合方式主要采用物理的方法将碳源与SiO在溶剂中混合，溶剂蒸干后再进行煅烧碳化。这种方法很难将碳附着在SiO颗粒表面，难以起到缓解体积膨胀的作用。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种分级结构硅碳复合材料及其制备方法和应用。本专利技术的目的之二是提供一种锂离子电池负极材料，其包括上述分级结构硅碳复合材料。本专利技术的目的之三是提供一种锂离子电池负极，所述锂离子负极包括上述锂离子电池负极材料。本专利技术提供一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料包括硅基材料和碳材料，所述硅基复合材料具有类球形的形貌，所述类球形的形貌由所述硅基材料和碳材料以片状的形式互相穿插再二次组装形成。根据本专利技术的硅碳复合材料，所述硅基材料可以选自一氧化硅、硅和二氧化硅等中的至少一种；例如，所述硅基材料可以选自一氧化硅。根据本专利技术的硅碳复合材料，所述碳材料可以来自于无机碳源和有机碳源。其中，所述无机碳源可以选自石墨、石墨烯、硬碳和软碳等中的至少一种，例如，所述无机碳源选自石墨。其中，所述有机碳源可以选自聚氨酯、三聚氰胺和聚乙烯亚胺等中的至少一种；例如，所述有机碳源选自聚氨酯。根据本专利技术的硅碳复合材料，所述硅基材料和所述碳材料的质量比可以为2:3-4:1，例如1:1-3.5:1，示例性地为2:1、3:1、4:1。根据本专利技术的硅碳复合材料，所述硅碳复合材料的平均粒径可以为15-70μm，例如20-60μm、30-50μm，示例性地，平均粒径为40μm。本专利技术进一步提供上述硅碳复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将硅基材料与无机碳源混合、球磨，得到硅基材料与无机碳源的复合材料；(2)将步骤(1)所述硅基材料与无机碳源的复合材料与有机碳源溶液混合搅拌，离心分离后，烘干、煅烧，得到所述硅碳复合材料。根据本专利技术的制备方法，步骤(1)中，所述的硅基材料和无机碳源均具有如上文所述的含义。所述硅基材料与所述无机碳源的质量比可以为100:(1-80)；例如为100:(5-60)、100:(25-35)，例如可以为100:50、100:35、100:30或100:25。根据本专利技术的制备方法，步骤(1)中，所述硅基材料、以及所述无机碳源在混合前，可以先分别进行砂磨，砂磨的操作条件可以相同或不同，优选相同。例如，所述砂磨的温度可以为20-30℃。所述砂磨的速率为1000-2800rpm，优选为1800-2500rpm，作为示例，所述速率为2000rpm。其中，所述砂磨的时间为10-120min，优选为30-60min，作为示例，时间为60min。根据本专利技术的制备方法，步骤(1)中，所述球磨的速率为100-600rpm，优选为200-400rpm，作为示例，所述速率为350rpm。其中，所述球磨的时间为1-20h，优选为5-15h，作为示例，所述时间为10h。根据本专利技术的制备方法，步骤(2)中，所述有机碳源具有如上文所述的含义。根据本专利技术的制备方法，步骤(2)中，所述有机碳源的用量与步骤(1)中得到的复合材料质量比可为100:(10-400)；例如为100:(50-350)、100:(80-320)，例如可以为100:80、100:160或100:320。根据本专利技术的制备方法，步骤(2)所述有机碳源的配制过程包括：20～30℃下，将所述有机碳源溶解到溶剂中，并进行搅拌，得到所述有机碳源溶液。其中，所述溶剂可以为水和/或乙醇，优选为水。其中，所述搅拌的时间可以为10-60min，例如20-40min，作为示例，时间为30min；所述搅拌的速率为100-600rpm，例如200-500rpm，作为示例，速率为400rpm。进一步地，所述有机碳源溶液为均匀粘稠的溶液。根据本专利技术的制备方法，步骤(2)中，所述搅拌的时间为1-8h，优选为3-6h，作为示例，搅拌时间为3h。根据本专利技术的制备方法，步骤(2)中，所述搅拌的速率为200-600rpm，优选为300-400rpm，作为示例，搅拌速率为400rpm。根据本专利技术的制备方法，步骤(2)中，所述烘干的温度为70-100℃，优选80-100℃，作为示例，温度为80℃。根据本专利技术的制备方法，步骤(2)中，所述煅烧的温度为600-1200℃，优选为800-1000℃，作为示例，温度为800℃。其中，所述煅烧的时间为1-6h，优选为2-4h，作为示例，时间为3h。进一步地，所述煅烧在惰性气氛中进行，例如在氩气、氮气等惰性气氛中进行。根据本专利技术制备方法示例性的技术方案，所述方法包括如下步骤：(1)将硅基材料与无机碳源分别砂磨处理后混合、球磨，得到硅基材料与无机碳源的复合材料；(2)将有机碳源加入溶剂中，配制得到有机碳源溶液；(3)将步骤(1)所述硅基材料与无机碳源的复合材料与步骤(2)所述有机碳源溶液混合搅拌，离心分离后，烘干、煅烧，得到所述硅碳复合材料。本专利技术还提供上述硅碳复合材料在锂离子电池负极材料或锂离子电池中的用途。本专利技术进一步提供一种锂离子电池负极，所述负极包括所述硅碳复合材料。优选地，所述负极还包括粘结剂和导电剂。作为优选，所述导电剂与粘结剂的质量比为(5-8):(1-3):1；例如为8:1:1或7:2:1。其中，所述粘结剂可以选自本领域已知粘结剂，例如为羧甲基纤维素钠(CMC)。所述导电剂可以选自本领域已知导电剂，例如为乙炔黑。本专利技术进一步提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包括所述硅碳复合材料或所述锂离子电池负极。专利技术人研究发现，有机碳源将硅基材料和无机碳源有序并紧密的粘合在一起，组装形成直径约为50μm的大颗粒。通过改变实验条件可以获得具有优异循环稳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料包括硅基材料和碳材料，所述硅基复合材料具有类球形的形貌，所述类球形的形貌由所述硅基材料和碳材料以片状的形式互相穿插再二次组装形成。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料包括硅基材料和碳材料，所述硅基复合材料具有类球形的形貌，所述类球形的形貌由所述硅基材料和碳材料以片状的形式互相穿插再二次组装形成。


2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅基材料选自一氧化硅、硅和二氧化硅中的至少一种；
所述碳材料选自无机碳源和有机碳源，所述无机碳源选自石墨、石墨烯、硬碳和软碳中的至少一种；所述有机碳源选自聚氨酯、三聚氰胺和聚乙烯亚胺中的至少一种。


3.根据权利要求1或2所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅基材料和所述碳材料的质量比为2:3-4:1；
优选地，所述硅碳复合材料的平均粒径为15-70μm。


4.权利要求1-3任一项所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将硅基材料与无机碳源混合、球磨，得到硅基材料与无机碳源的复合材料；
(2)将步骤(1)所述硅基材料与无机碳源的复合材料与有机碳源溶液混合搅拌，离心分离后，烘干、煅烧，得到所述硅碳复合材料。


5.根据权利要求4所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述硅基材料与所述无机碳源的质量比为100:(1-80)；
优选地，步骤(1)中，所述硅基材料、以及所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王敬，包乌日古木拉，苏岳锋，陈实，吴锋，
申请(专利权)人：北京理工大学重庆创新中心，北京理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50