一种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硅碳复合材料及其制备方法和应用。该硅碳复合材料包括碳层、硅基材料和锂元素，锂元素预嵌在硅基材料表面，碳层包覆在硅基材料的表面，碳层的厚度为2‑10nm。制备时将硅基材料与含有有机碳源和锂化合物的溶液混合，搅拌均匀，得到混合物；所得的混合物经过烘干、热解碳化后，得到硅碳复合材料。本发明专利技术低成本、易操作，能够有效改善硅碳负极材料在锂离子电池中的首周库伦效率和电化学循环性能。

A silicon carbon composite material and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于硅碳复合材料领域，涉及锂离子电池负极材料，具体涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
锂离子电池因其优异的性能已经在各种电子产品、电动工具、医疗器械等领域获得了广泛应用。同时，在纯电动汽车、混合动力汽车以及储能等领域也显示了良好的应用前景。为了拥有和汽油车一样甚至更为优异的性能，制备高能量密度的锂离子电池迫在眉睫。硅基材料由于其较高的嵌锂比容量和较低的反应电位成为实现高能量密度锂离子电池的理想负极材料。但其作为半导体材料，有明显的导电性差的缺点。更严重的是，当硅和锂反应形成合金时会发生严重的体积膨胀，导致表面形成的SEI破裂。反复的体积变化会加速消耗电池中的活性锂和活性材料生成厚SEI，造成容量严重衰减。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嵌入或分散在硅基材料中，或者采用导电材料包覆硅基材料的方法提升其性能。其中硅碳复合材料因其成本低廉、导电性优异的优点成为了主要的研究方向。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种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。本专利技术的技术方案如下：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碳层、硅基材料和锂元素，所述锂元素预嵌在硅基材料表面，所述碳层包覆在所述硅基材料的表面。优选地，所述碳层均匀包覆在所述硅基材料的表面。根据本专利技术的硅碳复合材料，所述碳层的厚度可以为2-10nm，例如3-8nm、4-6nm。根据本专利技术的硅碳复合材料，所述锂元素的存在形式可以为硅酸锂。其中，所述锂元素可以来自于含锂化合物；例如可以为醋酸锂(CH3COOLi)、碳酸锂(Li2CO3)、氢氧化锂(LiOH)、硝酸锂(LiNO3)和苯甲酸锂(LiC7H5O2)等中的至少一种；示例性地，所述含锂化合物可以为醋酸锂、碳酸锂或硝酸锂。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。优选地，所述硅基材料中含有晶体硅，所述晶体硅嵌在所述硅基材料中。根据本专利技术的硅碳复合材料，所述锂元素占所述硅碳复合材料质量的1％-15％，例如2-13％、4-10％、6-8％。根据本专利技术的硅碳复合材料，所述硅基材料与所述碳层中碳的质量比为1：0.1-1:3，例如1:0.1-1:0.8；作为示例，所述质量比可以为1:0.4。根据本专利技术的硅碳复合材料，所述碳层中的碳可以来自于有机碳源，所述有机碳源可以选自柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、淀粉、三聚氰胺、聚氨酯、沥青、聚多巴胺、聚吡咯和聚苯胺等中的至少一种。优选地，所述有机碳源可以为柠檬酸。根据本专利技术的硅碳复合材料，所述硅基材料表面含有硅酸盐。本专利技术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)将硅基材料与含有有机碳源和锂化合物的溶液混合，搅拌均匀，得到混合物；(2)步骤(1)中的混合物经过烘干、热解碳化后，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，所述硅基材料、有机碳源和锂化合物具有如上文所述的含义。根据本专利技术的制备方法，步骤(1)中，所述含有有机碳源和锂化合物的溶液中的溶剂可以为水或有机溶剂；例如，所述有机溶剂可以为本领域已知溶剂：乙醇、甲醇等。例如，在20-30℃下，将锂化合物与有机碳源溶解到溶剂中，并进行搅拌，得到均匀的溶液。将上述有机碳源和锂化合物溶解在水或有机溶剂中，再与硅基材料进行混合可以提高碳源的包覆效果。根据本专利技术的制备方法，步骤(1)中，所述硅基材料与锂化合物的质量比为1:0.01-1:0.8；进一步优选为1:0.01-1:0.5、1:0.05-1:0.3；作为示例，质量比可以为1:0.2或1:0.6。根据本专利技术的制备方法，步骤(1)中，所述硅基材料与有机碳源的质量比为1:0.1-1:3；进一步优选为1:0.1-1:0.8；作为示例，所述质量比可以为1:0.4、1:1或1:3。根据本专利技术的制备方法，步骤(1)中，混合前，可以先对所述硅基材料进行砂磨，例如20-30℃下，采用砂磨机处理硅基材料。进一步地，所述砂磨的速率为1000-2800rpm，优选为1800-2500rpm，作为示例，砂磨速率为2000rpm。所述砂磨的时间为10-120min，优选为30-60min，作为示例，砂磨时间为60min。根据本专利技术的制备方法，步骤(1)中，所述搅拌的时间为1-8h，优选为3-6h，作为示例，搅拌时间可以为3h。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，所述烘干前，将所述混合物加热蒸干溶剂，于80-100℃温度下烘干5-20h，例如80℃下烘干12h。根据本专利技术的制备方法，步骤(2)中，所述热解碳化的温度为600-1200℃，优选为800-1000℃，作为示例，温度为800℃。其中，所述热解碳化的时间为1-6h，优选为2-4h，作为示例，时间为3h。进一步地，所述热解碳化在惰性气氛中进行，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的技术方案，所述硅碳复合材料的制备方法包括如下步骤：(1)对硅基材料进行砂磨，得到硅基材料粉末；(2)将锂化合物与有机碳源混合溶解在水中搅拌均匀，得到混合溶液；将所述硅基材料粉末加入所述混合溶液中，搅拌均匀，得到混合物；(3)将步骤(2)中的混合物加热烘干溶剂，再真空干燥、热解碳化，得到所述硅碳复合材料。本专利技术提供由上述制备方法得到的硅碳复合材料。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。本专利技术还提供一种锂离子负极材料，所述负极材料包括所述硅碳复合材料。本专利技术进一步提供一种锂离子电池的负极，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，所述硅碳复合材料、导电剂和粘结剂的质量比为(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。本专利技术提供一种锂离子电池，所述锂离子电池包含所述硅碳复合材料、所述锂离子负极材料或所述锂离子电池负极。专利技术人发现：钝化的SEI通常在暴露的材料表面形成，包含一些电化学惰性物质。这种自然生成的SEI质地较脆，在电极材料发生体积膨胀时容易破裂，形成蓬松的碎片。SEI的破裂与不断生成会持续消耗溶剂分子和可供反应的活性锂离子。所以稳定的SEI是实现长循环寿命的重要条件。专利技术人发现当使用含锂化合物对硅基材料进行预嵌锂，形成结构稳定的SEI可以有效改善循环稳定性。此外，碳材料因具有良好的导电性和结构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碳层、硅基材料和锂元素，所述锂元素预嵌在硅基材料表面，所述碳层包覆在所述硅基材料的表面；/n优选地，所述碳层的厚度为2-10nm；/n优选地，所述碳层均匀包覆在所述硅基材料的表面。/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碳层、硅基材料和锂元素，所述锂元素预嵌在硅基材料表面，所述碳层包覆在所述硅基材料的表面；
优选地，所述碳层的厚度为2-10nm；
优选地，所述碳层均匀包覆在所述硅基材料的表面。


2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述锂元素的存在形式为硅酸锂；
所述锂元素来自于含锂化合物，所述含锂化合物为醋酸锂(CH3COOLi)、碳酸锂(Li2CO3)、氢氧化锂(LiOH)、硝酸锂(LiNO3)和苯甲酸锂(LiC7H5O2)中的至少一种；
优选地，所述锂元素占所述硅碳复合材料质量的1％-15％。


3.根据权利要求1或2所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅基材料选自一氧化硅、硅和二氧化硅中的至少一种；
优选地，所述硅基材料中含有晶体硅，所述晶体硅嵌在所述硅基材料中；
优选地，所述硅基材料与所述碳层中碳的质量比为1:0.1-1:3；
优选地，所述碳层中的碳来自于有机碳源，所述有机碳源选自柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、淀粉、三聚氰胺、聚氨酯、沥青、聚多巴胺、聚吡咯和聚苯胺中的至少一种；
优选地，所述硅基材料表面含有硅酸锂盐。


4.权利要求1-3任一项所述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)将硅基材料与含有有机碳源和锂化合物的溶液混合，搅拌均匀，得到混合物；
(2)步骤(1)中的混合物经过烘干、热解...

【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