本公开涉及一种碳化硅包覆的空心硅材料，其特征在于，该材料包括空心硅颗粒，以及包覆在空心硅颗粒上的碳化硅致密层。根据本公开的方法，通过在空心硅外层沉积碳化硅，限制了体积向外膨胀，同时空心结构为材料提供了向内膨胀的空间，从而抑制了硅负极材料外观体积变化问题，显著提高了电池的循环寿命。本公开合成的碳化硅薄膜均匀、致密。而且本公开的合成工艺简单，易于产业化。易于产业化。易于产业化。
【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅包覆的空心硅材料、其制备方法以及使用该材料的电极和电化学装置
[0001]本公开涉及一种碳-硅复合材料。具体而言，本公开涉及一种碳化硅包覆的空心硅材料、其制备方法的新型合成方法以及使用该材料的电极和电化学装置。
技术介绍
[0002]在锂离子电池充放电过程中，硅负极材料存在较大的体积膨胀和收缩，所以不可避免地会引起负极片活性物质从铜箔集流体上脱落，从而导致电池容量衰减较快。
[0003]为了解决锂离子电池充放电过程中负极材料的体积变化问题，研究人员已做了许多改进，如将其制备成纳米颗粒或者空心颗粒等。但这些方法仍存在一些问题。因此，仍需要一种保持硅负极材料的电化学性能的同时，改善其体积变化的方法。
技术实现思路
[0004]本专利技术的一个目的是提供一种碳化硅包覆的空心硅材料。
[0005]本专利技术的另一个目的是提供一种所述碳化硅包覆的空心硅材料的制备方法。
[0006]本专利技术的另一个目的是提供一种使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制备的负极。
[0007]本专利技术的另一个目的是提供一种使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制备的电化学装置。
[0008]根据本公开的一个实施方式，其提供了一种碳化硅包覆的空心硅材料，其特征在于，
[0009]该材料包括空心硅颗粒，以及包覆在空心硅颗粒上的碳化硅致密层。
[0010]在一些实施例中，所述空心硅的空腔的粒径在10-50nm之间，该空心硅的粒径在30-100nm之间，且空心硅上包覆的碳化硅致密层的厚度在2-5nm之间。
[0011]在一些实施例中，在该材料中，碳化硅致密层中的碳与碳化硅的重量比为13：87-33：67。
[0012]在一些实施例中，该材料的比表面积是15-20m2/g，优选17m2/g。
[0013]该碳化硅在通过单色镜利用的铜辐射测量的X射线粉末衍射图中，在35.5
°±
0.02
°
、60
°±
0.02
°
、72
°±
0.02
°
的衍射角(2θ)处有特征峰。
[0014]根据本公开的另一个实施方式，其提供了一种碳化硅包覆的空心硅材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0015]步骤1：将空心硅颗粒放入反应炉内；
[0016]步骤2：在惰性气体环境下，在1050-1150℃的条件下，基于空心硅的重量，通入5-10％重量的碳源气体；
[0017]其中，所述碳源气体选自CH4、C2H2和CO的一种或多种。
[0018]在一些实施例中，步骤2中的碳源气体为CH4、C2H2和CO，同时需要通入一定量的氩气或氮气。
[0019]在一些实施例中，步骤2的持续时间是5-20min。
[0020]在一些实施例中，在碳源气体中包含的CO含量超过40％时，在步骤2中还同时通入相当于CO含量的25％的量的H2。
[0021]根据本公开的另一个实施方式，其提供了一种使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制备的负极。
[0022]根据本公开的另一个实施方式，其提供了一种使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制备的电化学装置。
[0023]在一些实施例中，所述电化学装置是锂离子电池或者超级电容器。
[0024]有益效果
[0025]根据本专利技术的方法，通过在空心硅外层沉积碳化硅，限制了体积向外膨胀，同时空心结构为材料提供了向内膨胀的空间，从而抑制了硅负极材料外观体积变化问题，显著提高了电池的循环寿命。
[0026]而且本公开的合成方法是气固相反应，合成的碳化硅薄膜厚度与通入的含碳气源气量呈对应关系，所以合成的碳化硅薄膜厚度可以根据通入含碳气源的总量进行控制。且气相沉积合成工艺简单，易于产业化。
附图说明
[0027]图1为根据本公开实施例的碳化硅包覆的空心硅材料的结构示意图，图1中，附图标记1表示碳化硅致密层，附图标记2表示空心硅颗粒。
[0028]图2为根据本公开实施例的碳化硅包覆的空心硅材料的制备方法的流程图。
[0029]图3为根据比较例的无碳化硅包覆层的空心硅材料的电子显微镜照片。
[0030]图4为根据本公开实施例的有碳化硅包覆层的空心硅材料的电子显微镜照片。
[0031]图5为根据比较例的无碳化硅包覆层的空心硅材料的X射线衍射图。
[0032]图6为根据本公开实施例的有碳化硅包覆层的空心硅材料的X射线衍射图。
[0033]图7为由根据比较例的无碳化硅包覆层的空心硅材料作为负极制成的电池和根据本公开实施例的有碳化硅包覆层的空心硅材料作为负极制成的电池的循环性能的对比图示。
具体实施方式
[0034]为使本领域具有普通知识的人员可了解本专利技术的特点及效果，以下谨就说明书及申请专利范围中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，皆具有本领域技术人员对于本专利技术所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
[0035]在本文中，用语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其他任何类似用语均属于开放性连接词(open-ended transitional phrase)，其意欲涵盖非排他性的包括物。举例而言，含有复数要素的一组合物或制品并不仅限于本文所列出的这些要素而已，而是还可包括未明确列出但却是该组合物或制品通常固有的其他要素。除此之外，除非有相反的明确说明，否则用语“或”是指涵盖性的“或”，而不是指排他性的“或”。例如，以下任何一种情况均满足条件“A或B”：A为真(或存在)且B为伪(或不存在)、A为伪(或不存在)且B为真(或存在)、A和B
均为真(或存在)。此外，在本文中，用语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”的解读应视为已具体公开并同时涵盖“由
…
所组成”及“实质上由
…
所组成”等封闭式或半封闭式连接词。
[0036]在本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征或条件仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值，特别是整数数值。举例而言，“1至8”的范围描述应视为已经具体公开如1至7、2至8、2至6、3至6、4至8、3至8等等所有次级范围，特别是由所有整数数值所界定的次级范围，且应视为已经具体公开范围内如1、2、3、4、5、6、7、8等个别数值。除非另有指明，否则前述解释方法适用于本专利技术全文的所有内容，不论范围广泛与否。
[0037]若数量或其他数值或参数是以范围、较佳范围或一系列上限与下限表示，则其应理解成是本文已特定公开了由任一对该范围的上限或较佳值与该范围的下限或较佳值构成的所有范围，不论这些范围是否有分别公开。此外，本文中若提到数值的范围时，除非另有说明，否则该范围应包括其端点以及范围内的所有整数与分数。
[0038]在本文中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种碳化硅包覆的空心硅材料，其特征在于，该材料包括空心硅颗粒，以及包覆在空心硅颗粒上的碳化硅致密层。2.根据权利要求1所述的空心硅材料，其中所述空心硅的空腔的粒径在10-50nm之间，该空心硅的粒径在30-100nm之间，且空心硅上包覆的碳化硅致密层的厚度在2-5nm之间。3.根据权利要求1所述的空心硅材料，其中碳化硅致密层中的碳与碳化硅的重量比为13：87至33：67。4.根据权利要求1所述的空心硅材料，其中该材料的比表面积是15-20m2/g。5.根据权利要求1所述的空心硅材料，其中该碳化硅在通过单色镜利用的铜辐射测量的X射线粉末衍射图中，在35.5
°±
0.02
°
、60
°±
0.02
°
、72
°±
0.02
°
的衍射角(2θ)...
【专利技术属性】
技术研发人员：邱新平，张文广，徐涵颖，郑曦，李慧玉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：
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