一种碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料及其制备方法，碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料是由单质硅作为球核结构，氧化亚硅作为主要活性物质并作为球壳结构基体，硅酸镁均匀分散在球壳结构基体中，碳包覆层分布在球壳结构基体的外表面。本发明专利技术制备的复合材料可以在提高负极材料电子导电性的同时，缓冲负极材料在脱嵌锂过程中的体积变化，提高材料循环过程中的结构稳定性，且具有可逆容量高、循环性能好等优点。循环性能好等优点。循环性能好等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池领域，具体是一种碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]近些年来，锂离子电池得到广泛的应用，其中锂离子电池负极材料的性能是电池性能的重要决定性因素。石墨是最传统的负极材料，但是克容量只有372mAh/g，无法满足对能量密度要求越来越高的动力电池行业。硅材料的理论比容量超过4200mAh/g，实际比容量大于3000mAh/g，成为锂离子电池负极材料研发的热点，但是硅材料的首次库伦效率低、循环性能差等缺点严重抑制了硅基负极材料在锂离子电池中的大规模应用。
[0003]一氧化硅具有理论比容量高(2600mAh/g)、安全性好、价格低廉等优点，但是也存在一些问题，如脱嵌锂过程中有近200％的体积变化，导致点击粉化、破坏导电网络，使容量快速衰减；首次嵌锂过程中会生成惰性氧化锂和硅酸锂相，使首次循环的库伦效率低；SiO作为半导体，电导率远低于石墨，因此在大电流充放电时，会有较严重的极化。SiO的理论容量比硅低，但Si-O键的强度是Si-Si键的2倍，且首周反应过程中生成的Li2O化合物对体积膨胀有缓冲作用，因此其循环性能比硅优越很多，引起了很多研究者的关注。
[0004]镁热还原法是以金属镁作为还原剂，利用低温下熔融态的镁与二氧化硅进行反应，制备金属硅。其特点是反应温度不需要太高，达到镁的熔点即可。但镁热还原法制备硅伴随生成Mg2SiO4的副反应，影响了硅材料的应用，为了避免这种副反应，通常的做法是加入无机盐作为吸热剂，或者用氢氟酸溶解除去Mg2SiO4。申请号为201810619131.6的中国专利公开了“一种避免副产物产生的镁热还原制备纯硅材料方法”，通过控制无机金属盐的熔点在648℃～950℃之间，避免了Mg2SiO4的生成，从而制得高纯固体硅材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是提供一种碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料及其制备方法，该复合材料可以在提高负极材料电子导电性的同时，缓冲负极材料在脱嵌锂过程中的体积变化，提高材料循环过程中的结构稳定性，且具有可逆容量高、循环性能好等优点。
[0006]本专利技术的技术方案为：
[0007]一种碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料，是由单质硅作为球核结构，氧化亚硅作为主要活性物质并作为球壳结构基体，硅酸镁均匀分散在球壳结构基体中，碳包覆层分布在球壳结构基体的外表面；所述的硅酸镁为MgSiO3和Mg2SiO4。
[0008]一种碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料的制备方法，具体包括有以下步骤：
[0009](1)、流动气相制备：将二氧化硅与单质硅的混合物、金属镁分别加入到二个独立腔室中并真空加热形成二个流动气相；
[0010](2)、负载化：在第三个腔室中加入纳米级单质硅并且转动第三腔室，再将步骤(1)
两个独立腔室中的二个流动气相加入到第三个腔室中混合，通过二个独立的气体流量控制阀门分别控制二个流动气相加入到第三个腔室的流量，气体冷凝后负载于纳米级单质硅的表面，得到核壳结构氧化亚硅/硅复合材料；
[0011](3)碳包覆：将步骤(2)得到的核壳结构氧化亚硅/硅复合材料与碳源进行碳包覆烧结得到碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料。
[0012]所述的二氧化硅与单质硅的混合物、金属镁、纳米级单质硅、碳包覆层的质量百分比为：70-85％：2-18％：3-10％：2-8％。
[0013]所述的二氧化硅与单质硅的混合物中，二氧化硅与单质硅的质量比为1:(1.2-1.5)。
[0014]所述的二氧化硅、单质硅、金属镁分别为块状结构或者粉末状结构中的一种。
[0015]所述的步骤(1)中，二个独立腔室的真空度均为-0.06MPa—-0.09MPa。
[0016]所述的步骤(1)中，二个独立腔室的温度分别为：加入二氧化硅与单质硅的混合物的独立腔室的温度为1200-1350℃(A腔室)，加入金属镁的独立腔室的温度为1150-1280℃。
[0017]所述的第三个腔室的转动速率为2-10r/min，第三个腔室的真空度为-0.06Mpa—-0.09MPa。
[0018]所述的纳米级单质硅的核粒径D50为400-900nm。
[0019]所述的碳源为乙炔、蔗糖、沥青中的一种或多种的混合。
[0020]本专利技术的优点：
[0021](1)、本专利技术通过二个独立腔室分别控制二个流动气相的生成，操作上方便简单，通过二个独立的气体流量控制阀门独立控制二个流动气相加入到第三个腔室的流量，实现二个组分的精准控制，从而有利于控制产物的组成；镁元素通过这种方式一步加入到氧化亚硅中，有利于提高材料的首次循环效率；
[0022](2)、本专利技术以纳米级单质硅作为球核结构，通过在球核结构的外表面包覆氧化亚硅球壳结构，从而形成核壳结构氧化亚硅/硅复合材料，有利于缓解材料在充放电过程中的体积膨胀；
[0023](3)本专利技术在氧化亚硅基体的外表面包覆碳层，可提高材料的导电性；
[0024]本专利技术制备的碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料具有可逆容量高、循环性能好等优点，且制备方法简单，重复性好、成本低廉、环境友好。
附图说明
[0025]图1是本专利技术实施例1制备的碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料的结构图。
[0026]图2是本专利技术实施例1制备的碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料的XRD谱图。
具体实施方式
[0027]下面将结合本专利技术实施例中的附图，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，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]实施例1
[0029]一种碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料的制备方法，具体包括有以下步骤：
[0030](1)、将100g块状二氧化硅与120g块状单质硅混合均匀得混合物，并放置在A腔室，将50g块状金属镁放在B腔室中，二个腔室的温度分别为：1200℃(A腔室)，1280℃(B腔室)，二个腔室的真空度均为-0.09MPa，从而真空加热形成二个流动气相；
[0031](2)、负载化：在C腔室中加入50g的纳米级单质硅(D50为400nm)并且转动C腔室，C腔室的转速为5r/min，再将步骤(1)A腔室和B腔室中的二个流动气相加入到C腔室中混合，通过二个独立的气体流量控制阀门分别控制二个流动气相加入到C腔室的流量，气体冷凝后负载于纳米级单质硅的表面，得到核壳结构氧化亚硅/硅复合材料；
[0032](3)碳包覆：将步骤(2)得到的核壳结构氧化亚硅/硅复合材料与乙炔进行CVD法高温烧结得到碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料。
[0033]上述步骤中，二氧化硅与单质硅的混合物、金属镁、纳米级本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料，其特征在于：是由单质硅作为球核结构，氧化亚硅作为主要活性物质并作为球壳结构基体，硅酸镁均匀分散在球壳结构基体中，碳包覆层分布在球壳结构基体的外表面；所述的硅酸镁为MgSiO3和Mg2SiO4。2.根据权利要求1所述的一种碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料的制备方法，其特征在于：具体包括有以下步骤：(1)、流动气相制备：将二氧化硅与单质硅的混合物、金属镁分别加入到二个独立腔室中并真空加热形成二个流动气相；(2)、负载化：在第三个腔室中加入纳米级单质硅并且转动第三腔室，再将步骤(1)两个独立腔室中的二个流动气相加入到第三个腔室中混合，通过二个独立的气体流量控制阀门分别控制二个流动气相加入到第三个腔室的流量，气体冷凝后负载于纳米级单质硅的表面，得到核壳结构氧化亚硅/硅复合材料；(3)碳包覆：将步骤(2)得到的核壳结构氧化亚硅/硅复合材料与碳源进行碳包覆烧结得到碳包覆核壳结构氧化亚硅/硅复合材料。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述的二氧化硅与单质硅的混合物、金属镁、纳米级单质硅、碳包覆层的质量百分比为：70-85％：2...

【专利技术属性】
技术研发人员：许家齐，王辉，林少雄，杨茂萍，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：