一种硅碳复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种硅碳复合材料及其制备方法与应用。本发明专利技术公开了一种硅碳复合材料的制备方法，该制备方法中有机硅单体在引发在引发剂的作用下生成聚合物，碳源通过交联包裹在聚合物表面，形成碳包覆硅复合材料的前驱体，再经碳化、还原反应，形成碳包覆单质晶体硅结构的复合材料，最后经酸刻蚀，除去副产物的同时形成多孔结构。本发明专利技术首次利用有机硅单体作为硅碳复合材料的原料，可以通过调节乳化剂的用量来调节聚合物的尺寸，使得硅碳复合材料的大小易于控制。本发明专利技术提供的硅碳复合材料的制备方法操作简单。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及锂电池
，尤其涉及一种硅碳复合材料及其制备方法与应用。
技术介绍
锂离子电池以其长循环性能、高功率、安全以及低成本等特性逐步取代了传统的电化学二次电池体系如铅酸和镍镉电池技术，成为现代设备最重要的动力源。因为具有高输出电压、优良的能量和功率密度以及长效的循环稳定性等优势，锂离子电池已经广泛应用于便携的电子设备产品领域，例如，移动电话、笔记本电脑、数码相机和混合电动汽车等。但是随着智能手机、笔记本电脑功能逐渐的增多，其耗电量也与日俱增。商业化的锂离子电池已经不能满足日益增长的便携式电子器件、未来的电动汽车以及能源存储构想对于电池能量密度、运行稳定性、系统集成的要求。负极材料作为锂离子电池的关键组成部分，其性能的好坏直接决定了锂离子电池性能的优劣。目前，商业化锂离子电池普遍使用碳材料作为负极材料，天然石墨凭借其低成本以及良好性能逐步取代了硬碳和人造石墨成为了主流商用锂离子负极材料。但是石墨的低容量(理论容量372mAh/g)已不能满足锂离子电池对高功率和能量密度的要求。而硅因为其具有理论容量大、放电电压低、成本低等优点，是取代石墨最有前途的材料之一。然而，硅材料除了以上所表现出来的令人满意的优势之外，该材料仍然存在很多急需要解决的问题，如导电性差，在循环过程中体积变化很大，导致循环稳定性差。而设计硅材料表面包覆可以提高导电性，减少副反应，缓解体积膨胀。目前常采用水溶液法制备碳包覆硅材料，但制得到碳包覆硅球大小形貌不均匀，不易受控制。专利技术内容本专利技术提供了一种硅碳复合材料及其制备方法与应用，解决了水溶液法制得的碳包覆硅球大小形貌不均匀的问题。其具体技术方案如下：本专利技术提供了一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将有机硅单体、乳化剂、引发剂和溶剂混合，在水浴条件下进行聚合反应，得到聚合物；步骤2：将所述聚合物与碳源混合，所述碳源在所述聚合物表面发生聚合反应，得到前驱体；步骤3：将所述前驱体依次进行碳化、还原和酸刻蚀后，得到硅碳复合材料。本专利技术首次采用乳液聚合的方法制备碳包覆硅复合材料，有机硅单体在引发在引发剂的作用下生成聚合物，碳源通过交联包裹在聚合物表面，形成碳包覆硅复合材料的前驱体，再经碳化、还原反应，形成碳包覆单质晶体硅结构的复合材料，最后经酸刻蚀，除去副产物的同时形成多孔结构。本专利技术通过乳化剂的用量控制球状聚合物的大小，从而制备出来的球状硅碳复合材料形貌规整，均一。本专利技术步骤1中，所述有机硅单体为甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷。甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷经聚合反应，得到聚甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷，呈双连续网状结构。所述乳化剂选自十二烷基硫酸钠或十四烷基硫酸钠，优选为十二烷基硫酸钠；所述引发剂选自过硫酸钠或过硫酸钾，优选为过硫酸钾；所述溶剂为去离子水；所述有机硅单体和所述乳化剂的质量比为1000：(1～5)，优选为1000：(1～4)；所述乳化剂和所述引发剂的质量比为(1:20)～(1:80)，优选为(1:20)～(1:50)；所述水浴条件为：水浴温度为30～60℃，当反应液呈白色乳状时，停止反应，水浴时间为3～10h，优选为5～7h；所述水浴反应优选在氮气或惰性气体的氛围下进行；反应结束后，优选将白色乳状液进行干燥，得到白色粉末，即为聚合物。本专利技术步骤2中，所述碳源与所述聚合物的质量比为(1:1)～(1:5)，优选为(1:1)～(1:3)；所述聚合反应的温度为室温(25±5℃)，时间为24h；所述聚合反应优选在遮光的环境下进行；所述聚合反应结束后，优选将反应产物用去离子水和无水乙醇进行清洗，然后优选在70℃下干燥24h；所述碳源为多巴胺或水溶性酚醛树脂。多巴胺的自聚合反应制备方法简单，且多巴胺交联之后所得到的结构骨架稳定，因此优选为多巴胺。多巴胺优选在Tris缓冲液中发生交联聚合，在聚合物表面形成聚多巴胺，有效缓解了聚合物的体积膨胀，且制备出来的硅碳复合材料大小均一，形貌规整，外层包覆的多巴胺坚硬，使得整个结构的骨架更加稳定。本专利技术步骤3中，所述碳化的温度为800℃，升温速率为5℃/min，碳化反应的保温时间为3～5h；所述还原采用镁热还原反应；所述镁热还原具体为：将碳化的产物与镁粉和无水氯化铝在氮气或惰性气体的氛围下进行还原反应；所述碳化的产物、镁粉和无水氯化铝的质量比优选为0.2：0.16：2；所述镁热还原反应的温度为300℃，升温速率为5℃/min，保温时间为10～15h；所述酸刻蚀具体为：依次采用盐酸和氢氟酸对所述还原得到的产物进行洗涤；所述盐酸的质量浓度优选为20％，所述氢氟酸的质量浓度优选为40％。本专利技术还提供了上述制备方法制备得硅碳复合材料。本专利技术提供的硅碳复合材料呈多孔球状，且尺寸均一，硅碳复合材料中碳包覆在硅的表面，抑制硅材料在充放电过程中的体积膨胀，该硅碳复合材料应用在锂电池中，可展现出优良的电化学性能，高的能量密度和良好的循环性能。本专利技术还提供了上述硅碳复合材料在锂电池中的应用。本专利技术还提供了一种锂电池负极，包括上述硅碳复合材料。本专利技术中，所述锂电池负极的制备方法具体为：将所述硅碳复合材料、导电炭黑、聚偏氟乙烯和N-甲基吡咯烷酮混合得到的浆料涂布在铜箔上得到；所述硅碳复合材料、所述导电炭黑和所述聚偏乙烯的质量比为70：20：10。本专利技术还提供了一种锂电池，包括上述锂电池负极和锂电池正极。从以上技术方案可以看出，本专利技术具有以下优点：本专利技术提供了一种硅碳复合材料的制备方法，该制备方法中有机硅单体在引发在引发剂的作用下生成聚合物，碳源通过交联包裹在聚合物表面，形成碳包覆硅复合材料的前驱体，再经碳化、还原反应，形成碳包覆单质晶体硅结构的复合材料，最后经酸刻蚀，除去副产物的同时形成多孔结构。本专利技术首次利用有机硅单体作为硅碳复合材料的原料，可以通过调节乳化剂的用量来调节聚合物的尺寸，使得硅碳复合材料的大小易于控制。本专利技术提供的硅碳复合材料的制备方法操作简单，有利于工业化生产。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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例，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。图1为本专利技术实施例1制得的硅碳复合材料的SEM图；图2为本专利技术实施例8制得的扣式电池的EIS电化学阻抗图谱；图3为本专利技术实施例8制得的扣式电池在500mAg-1循环下的前三圈充放电曲线图。具体实施方式为使得本专利技术的专利技术目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而非全部的实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：将有机硅单体、乳化剂、引发剂和溶剂混合，在水浴条件下进行聚合反应，得到聚合物；/n步骤2：将所述聚合物与碳源混合，所述碳源在所述聚合物表面发生聚合反应，得到前驱体；/n步骤3：将所述前驱体依次进行碳化、还原和酸刻蚀后，得到硅碳复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将有机硅单体、乳化剂、引发剂和溶剂混合，在水浴条件下进行聚合反应，得到聚合物；
步骤2：将所述聚合物与碳源混合，所述碳源在所述聚合物表面发生聚合反应，得到前驱体；
步骤3：将所述前驱体依次进行碳化、还原和酸刻蚀后，得到硅碳复合材料。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机硅单体为甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷；
所述碳源为多巴胺或水溶性酚醛树脂。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1所述水浴条件为：水浴温度为30～60℃，时间为3～10h。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2所述聚合反应的温度为室温，时间为24h。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1所述有机硅单...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐双，张海燕，李争晖，张尚尚，黄锡峰，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44