一种多层级包覆结构硅碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开的属于多层级包覆结构硅碳复合材料技术领域，具体为一种多层级包覆结构硅碳复合材料，一种多层级包覆结构硅碳复合材料，基于对于硅基负极的跨尺度修饰技术，可以实现二次颗粒的自组装与纳米硅在石墨二次造粒的颗粒间隙中均匀分散,通过对于不同软化点的沥青的精细调控与结构设计可实现多层级碳层包覆，有效缓冲硅的体积膨胀，辅助二次颗粒在干燥过程中的粘结，该发明专利技术通过对不同软化点沥青的精细筛选和针对性调控实现了纳米硅在石墨基体二次造粒的间隙中的分布与表面的包覆改性，该结构可有效隔绝硅与电解液直接接触、减少副反应的产生，有效降低电池循环过程中活性锂离子与电解液的消耗，并提高材料的库伦效率与循环保持率。

A kind of multilayer coating structure silicon carbon composite and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种多层级包覆结构硅碳复合材料及其制备方法
本专利技术涉及多层级包覆结构硅碳复合材料
，具体为一种多层级包覆结构硅碳复合材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，由于能源危机与环境污染的双重压力，探索开发可持续发展的新型能源的重要性日益凸显。与此同时，以二次电池为代表的电化学储能器件以其在新能源汽车、电网储能以及数码产品等领域的应用也成为业界关注的重点。如何进一步提高锂电池的能量密度，一直是锂电行业的前沿研究方向。传统石墨材料是目前锂电池中应用最为广泛的负极材料，然而石墨的理论容量仅为372mAh/g，为了进一步提高锂电池能量密度，必须开发具有更高比容量的新型负极材料。硅的理论比容量高达4200mAh/g，同时拥有较低的嵌锂电位。因此，硅基材料被认为是一种非常有前景的新型高比容量负极材料。然而硅在嵌锂时存在高达400％的体积膨胀，脆性的SEI膜极易发生破裂，导致硅被直接暴露在电解液中。在充放电循环过程中，随着锂离子的嵌入与脱出不断有新裸露的硅表面与电解液接触并发生反应，持续性的造成活性锂离子与电解液的消耗，表现为电池库伦效率低，以及容量的不断下降。本专利技术提供了一种由不同软化点的沥青结焦生成的多层级碳包覆层对于硅碳复合材料的跨尺度改性方法，通过对于三维复合材料结构设计的精细调控，有效解决了石墨二次颗粒的自组装造粒和纳米硅在二次颗粒基体间隙中的均匀分散等两大硅基负极的技术难题，从而避免硅与电解液的直接接触，在充放电过程中有效减少了活性锂离子与电解液的消耗，提高硅碳材料的库伦效率与循环保持率。
技术实现思路
本部分的目的在于概述本专利技术的实施方式的一些方面以及简要介绍一些较佳实施方式。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。鉴于上述和/或现有多层级包覆结构硅碳复合材料及其制备方法中存在的问题，提出了本专利技术。因此，本专利技术的目的是提供多层级包覆结构硅碳复合材料及其制备方法，通过对不同软化点沥青的精细筛选和针对性调控实现了纳米硅在石墨基体二次造粒的间隙中的分布与表面的包覆改性，该结构可有效隔绝硅与电解液直接接触、减少副反应的产生，有效降低电池循环过程中活性锂离子与电解液的消耗，并提高材料的库伦效率与循环保持率。为解决上述技术问题，根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了如下技术方案：一种多层级包覆结构硅碳复合材料，基于对于硅基负极的跨尺度修饰技术，可以实现二次颗粒的自组装与纳米硅在石墨二次造粒的颗粒间隙中均匀分散,通过对于不同软化点的沥青的精细调控与结构设计可实现多层级碳层包覆，有效缓冲硅的体积膨胀，辅助二次颗粒在干燥过程中的粘结，隔绝硅与电解液的直接接触等多方面用途，从而显著提高材料的库伦效率与循环保持率。一种多层级包覆结构硅碳复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：步骤一：将硅与分散液混合后在砂磨机中进行研磨，得到纳米硅的分散液；步骤二：将石墨加入纳米硅的分散液中并搅拌均匀，得到纳米硅与石墨的混合分散液；步骤三：将低软化点的沥青加入纳米硅与石墨的分散液中并混合均匀；步骤四：将纳米硅、石墨与沥青的混合分散液用喷雾干燥进行干燥与二次造粒，得到干粉状的单级包覆硅碳材料前驱体；步骤五：将高温沥青与单级包覆硅碳材料前驱体混合均匀后，加入反应釜中在惰性保护下进行高温混合与包覆，得到多层级包覆结构硅碳复合材料前驱体；步骤六：将沥青包覆硅碳材料前驱体在惰性气体氛围中进行高温烧结，制备得到多层级包覆结构硅碳材料。作为本专利技术所述的多层级包覆结构硅碳复合材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述步骤一中：所述分散液为乙醇、甲醇、异丙醇中的一种或多种的混合物，所述硅与分散液的比例为1:10-1:4，所述纳米硅D50在50-250nm。作为本专利技术所述的多层级包覆结构硅碳复合材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述步骤二中：所述石墨为天然石墨、人造石墨或二者的混合，D50在3-8μm，硅与石墨的比例为1:3-1:20。作为本专利技术所述的多层级包覆结构硅碳复合材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述步骤三中：沥青软化点为100-180℃，粒径D50在0.9-2μm，沥青与石墨的比例在1:40-1:10之间。作为本专利技术所述的多层级包覆结构硅碳复合材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述步骤四中：喷雾干燥的温度为130-220℃。作为本专利技术所述的多层级包覆结构硅碳复合材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述步骤五中：所述反应釜为高温VC混合机，该混合机具有锥形混合腔体并配有中心转轴，通过转轴的速度产生离心力将产品推向混合腔体内壁，同时在内壁刮片的配合作用下使腔内部物料在锥形腔体内部进行循环以达到均匀混合目的，所述高温沥青软化点在220-280℃之间，结焦值在60％以上，粒径为2-5μm，所述沥青与硅碳材料前驱体的比例为1:30-1:10，所述混合温度为250-550℃，转速为80-350r/min，时间为60-180min，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气等。作为本专利技术所述的多层级包覆结构硅碳复合材料的制备方法的一种优选方案，其中：所述步骤6中：高温烧结温度为800-1100℃，时间为30-180min，所述惰性气体为氮气、氩气、氦气等。与现有技术相比：该多层级包覆结构硅碳复合材料及其制备方法中，采用差异化的跨尺度多级表面改性工艺，通过对不同软化点沥青的精细筛选和针对性调控实现了纳米硅在石墨基体二次造粒的间隙中的分布与表面的包覆改性，利用相对柔性的石墨基体有效缓冲硅的体积膨胀，同时高软化点的沥青在硅碳材料表面形成致密的高柔韧性无定型碳包覆层，该结构可有效隔绝硅与电解液直接接触、减少副反应的产生，有效降低电池循环过程中活性锂离子与电解液的消耗，并提高材料的库伦效率与循环保持率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施方式的技术方案，下面将将结合附图和详细实施方式对本专利技术进行详细说明，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：图1为本专利技术实施方式1得到的多层级包覆结构硅碳复合材料的X射线衍射(XRD)的测试结果；图2为本专利技术实施方式1得到的多层级包覆结构硅碳复合材料扫描电子显微镜(SEM)的测试结果；图3为本专利技术实施方式1得到的多层级包覆结构硅碳复合材料透射电子显微镜(TEM)的测试结果；图4为本专利技术实施方式1得到的多层级包覆结构硅碳复合材料粒径分布的测试结果；图5为本专利技术实施方式1得到的多层级包覆结构硅碳复合材料及对比例硅碳材料组装成CR2016型纽扣电池循环容量保持率的测试结果；图6为本专利技术实施方式1得到的多层级包覆结构硅碳复合材料及对比例硅碳材料组装成CR2016型纽扣电池循环库伦效率的测试结果。具体实施方式为使本专利技术的上述目本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层级包覆结构硅碳复合材料，其特征在于：/n一种多层级包覆结构硅碳复合材料，基于对于硅基负极的跨尺度修饰技术，可以实现二次颗粒的自组装与纳米硅在石墨二次造粒的颗粒间隙中均匀分散,通过对于不同软化点的沥青的精细调控与结构设计可实现多层级碳层包覆，有效缓冲硅的体积膨胀，辅助二次颗粒在干燥过程中的粘结，隔绝硅与电解液的直接接触等多方面用途，从而显著提高材料的库伦效率与循环保持率。/n

【技术特征摘要】
1.一种多层级包覆结构硅碳复合材料，其特征在于：
一种多层级包覆结构硅碳复合材料，基于对于硅基负极的跨尺度修饰技术，可以实现二次颗粒的自组装与纳米硅在石墨二次造粒的颗粒间隙中均匀分散,通过对于不同软化点的沥青的精细调控与结构设计可实现多层级碳层包覆，有效缓冲硅的体积膨胀，辅助二次颗粒在干燥过程中的粘结，隔绝硅与电解液的直接接触等多方面用途，从而显著提高材料的库伦效率与循环保持率。


2.一种多层级包覆结构硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：将硅与分散液混合后在砂磨机中进行研磨，得到纳米硅的分散液；
步骤二：将石墨加入纳米硅的分散液中并搅拌均匀，得到纳米硅与石墨的混合分散液；
步骤三：将低软化点的沥青加入纳米硅与石墨的分散液中并混合均匀；
步骤四：将纳米硅、石墨与沥青的混合分散液用喷雾干燥进行干燥与二次造粒，得到干粉状的单级包覆硅碳材料前驱体；
步骤五：将高温沥青与单级包覆硅碳材料前驱体混合均匀后，加入反应釜中在惰性保护下进行高温混合与包覆，得到多层级包覆结构硅碳复合材料前驱体；
步骤六：将沥青包覆硅碳材料前驱体在惰性气体氛围中进行高温烧结，制备得到多层级包覆结构硅碳材料。


3.根据权利要求2所述的一种多层级包覆结构硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中：所述分散液为乙醇、甲醇、异丙醇中的一种或多种的混合物，所述硅与分散液的比例为1:10-1:4，所述纳米硅D50在50-250nm。

【专利技术属性】
技术研发人员：马越，
申请(专利权)人：西安越遴新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61