一种碳包覆硅纳米颗粒及其制备方法、应用技术

本发明专利技术涉及一种碳包覆硅纳米颗粒及其制备方法、应用，其中，所述制备方法包括：提供一由石墨和硅混合的块状物作为阳极，提供一石墨棒作为阴极，并将所述块状物与所述石墨棒置于电弧炉中；将所述电弧炉抽真空并充入缓冲气体，其后，启动电弧，制备得到碳包覆硅纳米颗粒，其中，所述块状物中石墨与硅的质量比为5～30:70～95。本发明专利技术以硅和碳混合压制的块状物为阳极，石墨棒为阴极，采用直流电弧法可一步制得碳包覆的硅纳米颗粒，制备方法简单，有利于工业大规模生产，同时，所制备的碳包覆的硅纳米颗粒可直接应用在锂离子电池中，从而实现高附加值的制备锂离子电池负极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆硅纳米颗粒及其制备方法、应用
本专利技术涉及锂电池材料领域，尤其涉及一种碳包覆硅纳米颗粒及其制备方法、应用。
技术介绍
在锂离子电池的嵌锂过程中，无定形LixSi和晶态Li15Si4间的相变过程导致硅电极的体积膨胀，使得硅颗粒之间的电接触不良，持续产生固体电解质界面(SEI)膜，从而导致活性材料损耗及电池的循环寿命变短。目前，解决硅负极体积膨胀的方法有两种方式，即纳米化和复合化(复合包括与金属的复合和非金属的复合两种方式)，其中，材料纳米化对于解决硅体积膨胀导致电极粉化从集流体上脱落的问题具有十分重大的意义，而针对硅表面SEI膜的稳定形成，往往采取对硅表面进行包覆的方式，一方面，包覆层可以缓冲硅在体积膨胀过程中释放的应力，另一方面，可以避免硅与电解质的直接接触，从而避免在循环过程中SEI膜周期性的形成与破裂使得活性物质和电解质不断被消耗，造成不可逆容量损失。用碳质材料和硅复合从而吸收硅在嵌锂过程中体积膨胀所释放的应力被认为是提高电极稳定性的一个有效手段。但现有的碳包覆硅的工艺步骤繁琐、操作复杂，为推动碳包覆硅在锂离子电池中的应用，需要提供一种工艺简单，能够大规模制备的方法。因此，现有技术仍有待改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本申请的目的在于提供一种碳包覆硅纳米颗粒及其制备方法、应用，旨在解决现有的碳包覆硅纳米颗粒的制备方法复杂，不利于大规模生产的技术问题。本专利技术的技术方案如下：提供了一种碳包覆硅纳米颗粒的制备方法，其中，包括步骤：<br>提供一由石墨和硅混合的块状物作为阳极，提供一石墨棒作为阴极，并将所述块状物与所述石墨棒置于电弧炉中；将所述电弧炉抽真空并充入缓冲气体，其后，启动电弧，制备得到碳包覆硅纳米颗粒；其中，所述块状物中石墨与硅的质量比为5～30:70～95。在上述实现方式中，以硅和碳混合压制的块状物为阳极，石墨棒为阴极，采用直流电弧法制备得到碳包覆硅纳米颗粒，制备方法简单，有利于工业大规模生产。可选地，所述块状物的厚度为0.1～2cm。可选地，所述块状物与所述石墨棒在所述电弧炉内的间距为3～6mm。可选地，所述缓冲气体为惰性气体或还原性气体中的一种或多种。可选地，将所述电弧炉抽真空并充入缓冲气体后，所述电弧炉内的气压为20～70kPa。可选地，所述电弧的放电电流为10～100A，所述电弧放电时间为1～30min。基于同样的专利技术构思，还提供有一种碳包覆硅纳米颗粒，其中，采用所述碳包覆硅纳米颗粒的制备方法制备而成。基于同样的方面构思，还提供有一种碳包覆硅纳米颗粒的应用，其中，将所述碳包覆硅纳米颗粒用于锂离子电池负极材料中。可选地，所述锂离子电池中负极活性物质碳包覆硅纳米颗粒与导电剂及粘结剂的配比为8:1:1或9:0:1。附图说明图1为专利技术一种碳包覆硅纳米颗粒的制备方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例1中所制备的碳包覆硅纳米颗粒的X-射线衍射图；图3为本专利技术实施例1中所制备的碳包覆硅纳米颗粒的透射电子显微镜图；图4为本专利技术实施例1中所制备的碳包覆硅纳米颗粒的高倍透射电子显微镜图；图5为本专利技术实施例1中所制备的碳包覆硅纳米颗粒的粒径分布图；图6为本专利技术实施例1中所制备的碳包覆硅纳米颗粒作为锂离子负极活性物质的首次放电曲线图；图7为本专利技术实施例2中所制备的碳包覆硅纳米颗粒的透射电子显微镜图；图8为本专利技术实施例3中所制备的碳包覆硅纳米颗粒的透射电子显微镜图；图9为本专利技术实施例4中所制备的碳包覆硅纳米颗粒的透射电子显微镜图；图10为本专利技术中所制备的碳包覆硅纳米颗粒中碳包覆层的厚度与阳极材料中石墨与硅的质量比的关系示意图；图11为本专利技术中所制备的碳包覆硅纳米颗粒中碳包覆层中碳化硅含量与阳极材料中石墨与硅的质量比的关系示意图。具体实施方式为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。如图1所示，本专利技术提供了一种碳包覆硅纳米颗粒的制备方法，其中，包括步骤：S10、提供一由石墨和硅混合的块状物作为阳极，提供一石墨棒作为阴极，并将所述块状物与所述石墨棒置于电弧炉中；S20、将所述电弧炉抽真空并充入缓冲气体，其后，启动电弧，制备得到碳包覆硅纳米颗粒。本实施例中，将石墨和硅混合的块状物作为阳极，石墨棒作为阴极，石墨棒具有好的导电性，易于起弧，且不会引入杂质；在无粘结剂下，以不同比例的石墨和硅混合物压制的块作为阳极，降低生产成本，避免杂质引入，简化工艺，使电弧稳定放电，进而控制所制备碳包覆硅的形貌及该负极材料的电化学性能；特别地，制备颗粒的外层为石墨烯层，可有效缓解硅颗粒的体积膨胀，同时，石墨烯可提高锂离子电池负极材料的导电性，从而提升电池的充放电和循环性能。电弧放电时，在高温条件下，阳极材料被蒸发，形成碳离子和碳原子及硅原子和硅离子，所述碳离子和碳原子会慢慢沉积在所述硅原子和硅离子上，从而形成碳包覆硅纳米颗粒，本专利技术通过直流电弧法所制备碳包覆硅纳米颗粒，方法简单、生产成本低，生产效率高，有利于工业大规模生产，同时，绿色无污染，有利于环境保护。需要说明的是，本专利技术中作为阳极的石墨和硅混合的块状物通过将一定比例的石墨粉和硅粉进行研磨或球磨，使两者混合均匀得到混合物，其后，将混合物放入模具中，在压力为1～5MPa的条件下，保持30～120s，从而压制成块，得到石墨和硅混合的块状物，在制备过程中未添加任何粘结剂或溶剂，有效地避免了引入杂质，保证了所制备的碳包覆硅纳米颗粒的纯度。进一步地，所述块状物中石墨与硅的质量比为5～30:70～95。本实施例中，将石墨与硅的质量比设定为5～30:70～95，一方面，可控制形成碳层的厚度，使得碳包覆硅纳米颗粒碳层的厚度不会过厚，另一方面，若石墨的含量过高，则易形成碳化硅，从而导致所制备的碳包覆硅纳米颗粒的纯度受到影响。进一步地，所述块状物的厚度为0.1～2cm，所述块状物与所述石墨棒在所述电弧炉内的间距为3～6mm。进一步地，所述缓冲气体为惰性气体或还原性气体中的一种或多种。本实施例中，优选地，所述缓冲气体为氢气、氩气和氦气中的一种或多种。进一步地，将所述电弧炉抽真空并充入缓冲气体后，所述电弧炉内的气压为20～70kPa。进一步地，所述电弧的放电电流为10～100A，所述电弧放电时间为1～30min。基于同样的专利技术构思，本专利技术还提供有一种碳包覆硅纳米颗粒，其中，采用所述碳包覆硅纳米颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳包覆硅纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括步骤：/n提供一由石墨和硅混合的块状物作为阳极，提供一石墨棒作为阴极，并将所述块状物与所述石墨棒置于电弧炉中；/n将所述电弧炉抽真空并充入缓冲气体，其后，启动电弧，制备得到碳包覆硅纳米颗粒；/n其中，所述块状物中石墨与硅的质量比为5～30:70～95。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆硅纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供一由石墨和硅混合的块状物作为阳极，提供一石墨棒作为阴极，并将所述块状物与所述石墨棒置于电弧炉中；
将所述电弧炉抽真空并充入缓冲气体，其后，启动电弧，制备得到碳包覆硅纳米颗粒；
其中，所述块状物中石墨与硅的质量比为5～30:70～95。


2.根据权利要求1所述的碳包覆硅纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述块状物的厚度为0.1～2cm。


3.根据权利要求1所述的碳包覆硅纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述块状物与所述石墨棒在所述电弧炉内的间距为3～6mm。


4.根据权利要求1所述的碳包覆硅纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述缓冲气体为惰性气体或还原性气体中的一种或多种。

【专利技术属性】
技术研发人员：梁风，张达，杨泻铖，马文会，杨斌，戴永年，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53