石墨烯包覆纳米硅及制备方法、硅碳负极材料及制备方法技术

本申请涉及材料领域，具体而言，涉及一种石墨烯包覆纳米硅及制备方法、硅碳负极材料及制备方法。气相反应设备具有高温区和低温区；石墨烯包覆纳米硅的方法包括：通过载气携带硅材料在高温区反应制备纳米硅，载气携带纳米硅至低温区，在低温区通入反应气，反应气在纳米硅表面形成石墨烯层；在该过程中，纳米硅几乎不会团聚，避免硅晶粒尺寸较大，且纳米硅还具有较高的活性，可在低温区进行原位包覆，石墨烯均匀地负载于纳米硅表面得到石墨烯包覆纳米硅，避免过多的纳米硅裸露于外表，从而改善充放电过程中消耗电解液导致的循环跳水问题。上述方法得到的石墨烯包覆纳米硅还能够有效抑制纳米硅体积膨胀。

【技术实现步骤摘要】
石墨烯包覆纳米硅及制备方法、硅碳负极材料及制备方法
本申请涉及材料领域，具体而言，涉及一种石墨烯包覆纳米硅及制备方法、硅碳负极材料及制备方法。
技术介绍
目前，商业化的锂离子电池主要采用石墨类负极材料，但它的理论比容量仅为372mAh/g，无法满足未来锂离子电池对高能量密度的需求。硅具有超高的理论比容量(4200mAh/g)和较低的脱锂电位(<0.5V)，且硅的电压略高于石墨，在充电时不易引起表面析锂，安全性能较好，因此硅成为锂离子电池碳基负极材料的富有潜力的选择之一。但硅作为锂离子电池负极材料也有缺点，如硅材料在充放电过程中容易发生体积膨胀，导致导电网络崩塌，影响电循环性能。目前主要通过硅的纳米化、合金化、硅与活性或惰性材料进行复合来改善硅材料的体积膨胀；其中碳包覆硅的复合材料备受关注，但现有技术中的小粒径纳米硅大多容易团聚导致碳包覆困难、且表面碳包覆不均匀的缺陷。
技术实现思路
本申请实施例的目的在于提供一种石墨烯包覆纳米硅及制备方法、硅碳负极材料及制备方法，其旨在改善现有的纳米硅碳包覆复合材料表面碳包覆不均匀的问题。本申请第一方面提供一种石墨烯包覆纳米硅的方法，采用气相反应设备制备石墨烯包覆纳米硅；气相反应设备具有位于载气上游的高温区和位于载气下游的低温区；石墨烯包覆纳米硅的方法包括：通过载气携带硅材料在高温区反应制备纳米硅，载气携带纳米硅至低温区。在低温区通入反应气，反应气在纳米硅表面形成石墨烯层；其中，气相反应设备选自适用于气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、混合等离子体法、气相分解法、等离子加热物理气相合成、丝电爆炸技术、激光-感应复合加热法或者激光诱导化学气相沉积法的任意一种设备。在高温区生成纳米硅，载气携带纳米硅至低温区，在低温区通入反应气，反应气利用纳米硅的高活性，在其表面进行原位反应，形成石墨烯均匀包覆与纳米硅表面，从而得到石墨烯包覆纳米硅。在该过程中，反应气在动态的纳米硅表面进行原位包覆，可以降低纳米硅团聚的可能性以避免纳米硅长大，避免硅晶粒尺寸过大；石墨烯均匀地负载于纳米硅表面可避免过多的纳米硅裸露于外表，从而改善充放电过程中消耗电解液导致的循环跳水问题。有效改善石墨烯包覆纳米硅的电性能。上述方法得到的石墨烯包覆纳米硅还能够有效抑制纳米硅体积膨胀。在本申请第一方面的一些实施例中，气相反应设备选自适用于等离子加热物理气相合成的设备，所述硅料包括冶金硅。在本申请第一方面的一些实施例中，硅材料选自冶金硅或者硅烷中的任一种。在本申请第一方面的一些实施例中，低温区的温度为700-1100℃。在本申请第一方面的一些实施例中，纳米硅的中粒径为10～100nm；可选地，纳米硅的形貌为类球形。在本申请第一方面的一些实施例中，反应气为CH4和CO2的混合气。本申请第二方面提供一种石墨烯包覆纳米硅，石墨烯包覆纳米硅通过上述石墨烯包覆纳米硅的方法制备而成。本申请第三方面提供一种硅碳负极材料的制备方法，包括：硅碳负极材料通过石墨、导电碳以及上述的石墨烯包覆纳米硅混合造粒而成；可选地，石墨与石墨烯包覆纳米硅的质量比为2:1-1:3；可选地，纳米硅与导电碳的质量比为1:1-5:1。本申请第四方面提供一种硅碳负极材料，硅碳负极材料通过第三方面提供的硅碳负极材料的制备方法制得。本申请实施例提供的硅碳负极材料粉体压实密度较大，电性能较好。本申请第五方面提供一种核壳结构的制备方法，采用气相反应设备制备核壳结构；气相反应设备具有位于载气上游的高温区和位于载气下游的低温区；核壳结构的制备方法包括：通过载气携带内核原料在高温区反应制备内核，载气携带内核至低温区。在低温区通入外壳原料，外壳原料气相沉积在内核外形成壳层；其中，气相反应设备选自适用于气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、混合等离子体法、气相分解法、等离子加热物理气相合成、丝电爆炸技术、激光-感应复合加热法或者激光诱导化学气相沉积法的任意一种设备。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1示出了实施例1制备得到的石墨烯包覆纳米硅的透射电镜图。图2示出实施例1制备得到的石墨烯包覆纳米硅的粒径分布图。具体实施方式为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。下面对本申请实施例的石墨烯包覆纳米硅及制备方法、硅碳负极材料及制备方法进行具体说明。一种石墨烯包覆纳米硅的方法，采用气相反应设备制备石墨烯包覆纳米硅；气相反应设备具有位于载气上游的高温区和位于载气下游的低温区。石墨烯包覆纳米硅的方法包括：通过载气携带硅材料在高温区反应制备纳米硅，载气携带纳米硅至低温区。在低温区通入反应气，反应气在纳米硅表面形成石墨烯层；其中，气相反应设备选自适用于气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、混合等离子体法、气相分解法、等离子加热物理气相合成、丝电爆炸技术、激光-感应复合加热法或者激光诱导化学气相沉积法的任意一种设备。适用于气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、混合等离子体法、气相分解法、等离子加热物理气相合成、丝电爆炸技术、激光-感应复合加热法或者激光诱导化学气相沉积法的任意一种设备内部均具有温度较高的区域以及温度较低的区域。高温区的温度高于低温区的温度，载气携带硅材料在高温区反应制备纳米硅，然后在低温区进行石墨烯包覆。载气携带纳米硅至低温区，在高温区生成的纳米硅具有较高的活性，反应气反应生成的石墨烯在高活性纳米硅的表面进行原位包覆。在该过程中，反应气在动态的纳米硅表面进行原位包覆，可以降低纳米硅的团聚的可能性，避免硅晶粒尺寸过大；石墨烯均匀地负载于纳米硅表面可避免过多的纳米硅裸露于外表，从而改善充放电过程中消耗电解液导致的循环跳水问题。有效改善石墨烯包覆纳米硅的电性能。此外，本申请得到的石墨烯包覆纳米硅还能够有效抑制纳米硅体积膨胀。作为示例性地，硅材料选自冶金硅或者硅烷；在本申请的其他实施例中，硅材料可以选用多晶硅、单晶硅或者非晶硅中的至少一种。相应地，载气可以选用任意一种惰性气体，例如氩气。在本申请的实施例中，高温区的温度为1200-1400℃，例如高温区的温度可以为1200℃、1250℃、1300℃、1350℃、1400℃等等。进一步地，在本申请的实施例中，低温区的温度为700-1100本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯包覆纳米硅的方法，其特征在于，采用气相反应设备制备石墨烯包覆纳米硅；/n所述气相反应设备具有位于载气上游的高温区和位于载气下游的低温区；/n所述石墨烯包覆纳米硅的方法包括：/n通过载气携带硅材料在所述高温区反应制备纳米硅；以及/n载气携带所述纳米硅至所述低温区，在所述低温区通入能生成石墨烯的反应气，以使所述纳米硅表面形成石墨烯层；/n其中，所述气相反应设备选自适用于气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、混合等离子体法、气相分解法、等离子加热物理气相合成、丝电爆炸技术、激光-感应复合加热法或者激光诱导化学气相沉积法的任意一种设备。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯包覆纳米硅的方法，其特征在于，采用气相反应设备制备石墨烯包覆纳米硅；
所述气相反应设备具有位于载气上游的高温区和位于载气下游的低温区；
所述石墨烯包覆纳米硅的方法包括：
通过载气携带硅材料在所述高温区反应制备纳米硅；以及
载气携带所述纳米硅至所述低温区，在所述低温区通入能生成石墨烯的反应气，以使所述纳米硅表面形成石墨烯层；
其中，所述气相反应设备选自适用于气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、混合等离子体法、气相分解法、等离子加热物理气相合成、丝电爆炸技术、激光-感应复合加热法或者激光诱导化学气相沉积法的任意一种设备。


2.根据权利要求1所述的石墨烯包覆纳米硅的方法，其特征在于，所述气相反应设备选自适用于等离子加热物理气相合成的设备，所述硅材料包括冶金硅。


3.根据权利要求1所述的石墨烯包覆纳米硅的方法，其特征在于，所述硅材料选自冶金硅或者硅烷中的任一种。


4.根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯包覆纳米硅的方法，其特征在于，所述低温区的温度为700-1100℃。


5.根据权利要求1-3任一项所述的石墨烯包覆纳米硅的方法，其特征在于，所述纳米硅的中粒径为10～100nm；
可选地，所述纳米硅的形貌为类球形。


6.根据权利要求1-3任...

【专利技术属性】
技术研发人员：李能，王志勇，皮涛，
申请(专利权)人：湖南中科星城石墨有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43