碳包覆多孔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碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法，包括依次进行的以下步骤：将硅合金粉末进行酸洗、刻蚀，在酸洗前或刻蚀后加入碳纳米管，得到多孔硅混合材料；将多孔硅混合材料、分散剂、浆料溶剂配置成浆料，进行球磨分散或砂磨分散，将分散均匀的浆料进行干燥，放入高温炉中，惰性气体氛围下保温碳化，最后气流粉碎，得到成品。本发明专利技术还公开了一种碳包覆多孔硅碳复合材料，它是于多孔硅上均匀地包覆有碳纳米管的复合材料。本发明专利技术的碳包覆多孔硅碳复合材料材料导电性强，限制了硅脱嵌锂过程中的膨胀和收缩，并且制备过程简单、成本低，易于规模制备，适用于所有锂离子电池的负极。

Carbon coated porous silicon carbon composite and its preparation

【技术实现步骤摘要】
碳包覆多孔硅碳复合材料及其制备方法
本专利技术属于电池材料领域，涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法,具体地说是一种碳包覆多孔硅碳复合材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池具有能量密度高、自放电小、工作电压范围宽、无记忆效应、使用寿命长、无环境污染等优点，已广泛应用于电子产品和电动汽车以及储能领域。目前负极材料的应用主要以传统石墨材料为主，但石墨比容量已接近372mAh/g的理论值，难有提升的空间，限制了锂离子电池的能量密度。而硅碳复合材料由于具有较高的比容量，成为了锂离子电池负极材料的发展趋势。但硅作为锂离子电池负极材料也有明显的缺点：首先硅作为半导体材料，其自身电导率较低；其次在充放电过程，随着锂离子的嵌入和脱出，硅材料体积变化较大，导致材料粉化、脱落，最终导致与集流体脱离，循环稳定性较差；最后，虽然可采用掺杂、纳米化等方法来提高硅基材料的电化学性能，但这些制备方法比较复杂且成本较高，不易规模制备，制得材料的电化学性能还有待进一步提高。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的以上不足，本专利技术旨在提供一种碳包覆多孔硅碳复合材料及其制备方法，以达到增强电极的导电性、限制硅脱嵌锂过程中的膨胀和收缩，并且简化制备过程、易于规模制备的目的。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法，包括依次进行的以下步骤：S1：将硅合金粉末进行酸洗、刻蚀，在酸洗前或刻蚀后加入碳纳米管，得到多孔硅混合材料；S2：将多孔硅混合材料、分散剂、浆料溶剂配置成浆料，进行球磨分散或砂磨分散2-50h，将分散均匀的浆料50-90℃鼓风干燥干燥6-48h得到Si/SiOx-分散剂-碳纳米管复合物；S3：将Si/SiOx-分散剂-碳纳米管复合物放入高温炉中，惰性气体氛围下，500-1200℃保温碳化2h-24h，得到Si/SiOx-C-碳纳米管复合物；S4：将Si/SiOx-C-碳纳米管复合物进行气流粉碎，得到最终成品。作为对本专利技术的限定：所述S1包括依次进行的以下步骤：步骤一：将硅合金粉末加入盐酸中，在60-90℃反应15-30h去除金属元素，清洗至中性后50-90℃鼓风干燥6-48h得到硅粉；步骤二：将硅氧化物加入氢氟酸溶液中，常温下反应5-20h，清洗至中性，得到多孔硅材料；步骤三：将多孔硅材料与碳纳米管混合均匀，得到多孔硅混合材料。作为对本专利技术的限定：述S1包括依次进行的以下步骤：步骤一：将硅合金粉末与碳纳米管混合均匀，得到硅合金碳纳米管混合物；步骤二：将硅合金碳纳米管混合物加入盐酸中，在60-90℃反应15-30h去除金属元素，清洗至中性后50-90℃鼓风干燥6-48h得到硅粉与碳纳米管混合物；步骤三：将硅粉与碳纳米管混合物加入氢氟酸溶液中，常温下反应5-20h，清洗至中性，得到多孔硅混合材料。作为对本专利技术的进一步限定：在所述清洗过程中，使用去离子水进行清洗。本专利技术还公开了一种碳包覆多孔硅碳复合材料，它是于多孔硅上均匀地包覆有碳纳米管的复合材料。作为对本专利技术的限定：制得该复合材料的原料以重量份数计包括：硅合金粉末10-20份、盐酸50-100份、氢氟酸溶液50-100份、分散剂0.1-2份、浆料溶剂70-90份、碳纳米管0.05-2份。作为对本专利技术的进一步限定：所述硅合金粉末为硅铁合金粉末、硅铝合金粉末、硅镁合金粉末、硅锰合金粉末中的至少一种。作为对本专利技术的进一步限定：所述盐酸的摩尔浓度为1-12mol/L，所述氢氟酸溶液的摩尔浓度为0.5-2mol/L。作为对本专利技术的进一步限定：所述浆料溶剂为水、乙醇、异丙醇、NMP中的任一种。作为对本专利技术的再进一步限定：所述分散剂为PVP（聚乙烯吡咯烷酮）、PVA（聚乙烯醇）、PAA（聚丙烯酸）、PEO（聚氧化乙烯）中的任一种。由于采用了上述技术方案，本专利技术与现有技术相比，所取得的有益效果在于：（1）本专利技术中的硅合金通过酸洗去除金属元素杂质，再用一定浓度的氢氟酸进行刻蚀，可以有效的制造Si/SiOx的多孔结构；（2）制得本专利技术材料的原料中包括碳纳米管，碳纳米管具有极佳的导电性，可以有效的解决硅导电性差的缺点，同时碳纳米管具有极大的长径比优势，更有效的限制硅脱嵌锂过程中的膨胀和收缩；（3）将本专利技术的浆料进行球磨分散或砂磨分散，操作简单，降低了制备成本，更高效、均匀地将碳纳米管与硅进行分散；再将得到的Si/SiOx-分散剂-碳纳米管复合物进行高温碳化，实现了将碳纳米管对Si/SiOx进行均匀有效的包覆。综上所述，本专利技术的碳包覆多孔硅碳复合材料材料导电性强，限制了硅脱嵌锂过程中的膨胀和收缩，并且制备过程简单、成本低，易于规模制备，适用于所有锂离子电池的负极。附图说明下面结合附图及具体实施例对本专利技术作更进一步详细说明。图1为本专利技术实施例9中通过酸洗、刻蚀后的硅合金材料的SEM（扫描电子显微镜）图；图2为本专利技术实施例9最终制备得到的碳包覆多孔硅碳复合材料的SEM图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的碳包覆多孔硅碳复合材料及其制备方法为优选实施例，仅用于说明和解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。实施例1碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法本实施例为一种碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法，按照依次进行的以下步骤进行：1）将硅合金粉末加入盐酸中，在90℃反应24h去除金属元素，使用去离子水清洗至中性，80℃真空干燥24h得到硅粉；2）将硅氧化物加入氢氟酸溶液中进行刻蚀，常温下反应6h，使用去离子水清洗至中性，得到多孔硅材料；3）将多孔硅材料与碳纳米管混合均匀，得到多孔硅混合材料；4）将多孔硅混合材料、分散剂、浆料溶剂配置成浆料，砂磨分散8h，将分散均匀的浆料80℃鼓风干燥20h，得到Si/SiOx-分散剂-碳纳米管复合物；5）将Si/SiOx-分散剂-碳纳米管复合物放入管式炉中，用氩气排空后以5℃/min升温至1100℃，保温碳化10h，最后将得到的产物进行气流粉碎得到Si/SiOx-C-碳纳米管复合物；6）将Si/SiOx-C-碳纳米管复合物进行气流粉碎，得到最终成品。实施例2-4碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法实施例2-4为一种碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法，其中制备过程与实施例1均相同，不同之处在于制备过程中的参数，具体见表1：表1制备过程中的参数。实施例5碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法本实施例为一种碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法，按照依次进行的以下步骤进行：1）将硅合金粉末与碳纳米管混合均匀，得到硅合金碳纳米管混合物；2）将硅合金碳纳米管混合物加入盐酸中，在90℃下反应24h去除金属元素，使用去离子水清洗至中性后80℃真本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括依次进行的以下步骤：/nS1：将硅合金粉末进行酸洗、刻蚀，在酸洗前或刻蚀后加入碳纳米管，得到多孔硅混合材料；/nS2：将多孔硅混合材料、分散剂、浆料溶剂配置成浆料，进行球磨分散或砂磨分散2-50h，将分散均匀的浆料50-90℃鼓风干燥6-48h，得到Si/SiOx-分散剂-碳纳米管复合物；/nS3：将Si/SiOx-分散剂-碳纳米管复合物放入高温炉中，惰性气体氛围下，500-1200℃保温碳化2h-24h，得到Si/SiOx-C-碳纳米管复合物；/nS4：将Si/SiOx-C-碳纳米管复合物进行气流粉碎，得到最终成品。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括依次进行的以下步骤：
S1：将硅合金粉末进行酸洗、刻蚀，在酸洗前或刻蚀后加入碳纳米管，得到多孔硅混合材料；
S2：将多孔硅混合材料、分散剂、浆料溶剂配置成浆料，进行球磨分散或砂磨分散2-50h，将分散均匀的浆料50-90℃鼓风干燥6-48h，得到Si/SiOx-分散剂-碳纳米管复合物；
S3：将Si/SiOx-分散剂-碳纳米管复合物放入高温炉中，惰性气体氛围下，500-1200℃保温碳化2h-24h，得到Si/SiOx-C-碳纳米管复合物；
S4：将Si/SiOx-C-碳纳米管复合物进行气流粉碎，得到最终成品。


2.根据权利要求1所述的碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述S1包括依次进行的以下步骤：
步骤一：将硅合金粉末加入盐酸中，在60-90℃反应15-30h去除金属元素，清洗至中性后50-90℃真空干燥6-48h得到硅粉；
步骤二：将硅氧化物加入氢氟酸溶液中，常温下反应5-20h，清洗至中性，得到多孔硅材料；
步骤三：将多孔硅材料与碳纳米管混合均匀，得到多孔硅混合材料。


3.根据权利要求1所述的碳包覆多孔硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述S1包括依次进行的以下步骤：
步骤一：将硅合金粉末与碳纳米管混合均匀，得到硅合金碳纳米管混合物；
步骤二：将硅合金碳纳米管混合物加入盐酸中，在60-90℃反应15-30h去除金属元素，清洗至中性后50-90℃鼓风干燥6-...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾灵锋，杨丽娜，舒显全，
申请(专利权)人：上海旦元新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31