一种硅碳复合材料、制备方法及用途技术

本发明专利技术提供一种硅碳复合材料、制备方法及用途。一种硅碳复合材料的制备方法，包含以下步骤：S1.将强碱和氧化亚硅微粉混合后进行煅烧，产物洗涤、烘干后，得到多组分硅基材料；S2.将步骤S1得到的多组分硅基材料与碳源、模板剂混合后进行烧结，产物洗涤、烘干后即得所述硅碳复合材料。依据上述步骤制备的硅碳复合材料，具备良好的电导率、倍率性能和循环性能。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合材料、制备方法及用途
本专利技术属于锂离子电池电极材料领域，具体涉及一种硅碳复合材料、制备方法及用途。
技术介绍
锂离子电池因具质量能量密度高和环境友好等优点，在3C领域、动力领域以及储能领域广泛应用。近年来，随着技术的发展，对动力电池的续航里程也提出了进一步的要求，这进一步推进了人们对新型高质量/体积能量密度电池的研究。电池的能量密度主要取决于电极材料，传统石墨负极理论克比容量只有372mAh/g，已不能满足电池能量密度的要求。硅及硅基氧化物材料因具有理论比容量高(Si:3579mAh/g、SiO2:1965mAh/g、SiO:2680mAh/g)、脱锂电位低(0.02～0.6Vvs.Li+/Li)、环境友好、储量丰富等优点，成为最有可能替代商业化石墨的负极材料。但硅及硅基氧化物材料的商业化应用还需突破两个技术壁垒：(1)由于硅基材料在锂离子脱嵌过程中存在巨大的体积变化，因此，在长循环过程中，易出电极材料的粉化、从集流体上脱落等现象，表现出较差的循环稳定性；(2)相较于石墨负极，硅基材料的电导率很低，因此材料的首次库伦效率低、倍率性能较差。为了克服上述两个技术壁垒，研究者们探究了多种方法，主要是将硅基材料与碳复合、优化硅基材料的结构设计、选择新型粘结剂、改变电解质成分等。但硅基材料固有的体积膨胀率高、导电性差等缺点，依然没有克服。因此，其商业化应用仍受到限制。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本专利技术的第一方面提供了一种硅碳复合材料。本专利技术的第二方面提供了一种硅碳复合材料的制备方法。本专利技术的第三方面提供了一种硅碳复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。一种硅碳复合材料，包括多组分硅基材料；以及包覆于所述多组分硅基材料表面的多孔碳；所述多组分硅基材料选自硅、氧化亚硅、二氧化硅中的至少两种。所述多组分硅基材料作为锂离子脱嵌的主体，贡献容量。所述二氧化硅和多孔碳的作用是，在锂离子脱嵌过程中，缓解所述硅碳复合材料的体积变化。所述多孔碳的又一作用是，提升所述硅碳复合材料的电导率。所述多孔碳的第三方面作用是，隔绝所述多组分硅基材料与电解液的直接接触，降低电解质溶剂/溶质的分解、消耗。一种硅碳复合材料的制备方法，包含以下步骤：S1.将强碱和氧化亚硅微粉混合后进行煅烧，产物洗涤、烘干后，得到多组分硅基材料；S2.将步骤S1得到的多组分硅基材料与碳源、模板剂混合后进行烧结，产物洗涤、烘干后即得所述硅碳复合材料。根据本专利技术的一种优选的实施方式，步骤S1中，所述的氧化亚硅，平均粒径为3μm。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S1中，所述的强碱与氧化亚硅的质量比为1:2～1:10。根据本专利技术的一种优选的实施方式，步骤S1中，所述的强碱和氧化亚硅的质量比为1:4。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S1中，所述的混合为湿法混合或干法混合中的任一种。根据本专利技术的一种优选的实施方式，步骤S1中，所述的混合为湿法混合，操作方法是：将无水乙醇、氧化亚硅和强碱搅拌均匀后，烘干。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S1中，所述的煅烧，恒温温度为700～900℃，恒温时长为0.5～1.5h。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S1中，所述的煅烧，恒温前的升温速度为5℃/min。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S1中，所述煅烧在氮气或惰性气氛中进行。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S1中，所述的强碱，包括氢氧化锂、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种。根据本专利技术的一种优选的实施方式，步骤S1中，所述的强碱为氢氧化钠。根据本专利技术的一种优选的实施方式，步骤S1中，发生的反应如式(1)～(4)所示：式(1)～(4)中的NaOH可替代为LiOH或KOH中的一种。所述的强碱，一方面起到了催化剂的作用，加快了700～900℃间，氧化亚硅的歧化速度。在有氮气或惰性气体保护的氛围下，当温度升至600℃时，氧化亚硅开始发生缓慢的歧化反应，生成硅单质和二氧化硅；但是若要发生快速歧化，以使硅基材料在锂离子电池负极中，发挥更好的循环性能和可逆性，则需加热至1000～1200℃，以形成结晶性良好，结构疏松的复合材料。本专利技术通过添加一定量的强碱作为催化剂，加快了700～900℃间，氧化亚硅的歧化速度；从而在700～900℃间，也可形成晶性良好，结构疏松的复合材料，进而降低了生产工艺的能耗。所述的强碱，另一方面起到了刻蚀剂的作用，高温下与多组分硅发生反应，使其生成多孔疏松的结构，缓解了充放电过程中，所述硅碳复合材料的体积变化。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S1中，所述的煅烧，可通过调节烧结时长控制多组分硅基材料的组分。若步骤S1中的煅烧时长为0.5～1h，则多组分硅基材料的成分为硅、氧化亚硅、二氧化硅三种组分的复合物；若烧结时间为1～1.5h，则多组分硅基材料的成分为硅和二氧化硅两种组分的复合物；若反应时长大于1.5h，则多组分硅基材料会与强碱发生如式(2)～(4)所示反应，产生大量硅酸盐，进而破坏多组分硅基材料性质。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S2中，所述模板剂，为熔点＞800℃，且在20℃水中溶解度大于10g的盐。根据本专利技术的一种优选的实施方式，步骤S2中，所述的模板剂为氯化钠、硫酸钠、硫酸钾中的至少一种。根据本专利技术的一种优选的实施方式，步骤S2中，所述的模板剂为氯化钠。所述模板剂的作用是：在步骤S2烧结过程中，以未熔融的结晶颗粒形式嵌入新生成的碳层中；反应结束后，经去离子水清洗除去模板剂后，碳层获得多孔性。因此，模板剂的熔点需＞800℃，且需易溶于水，即在20℃水中溶解度大于10g。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S2中，所述的碳源为葡萄糖、蔗糖、淀粉、柠檬酸或抗坏血酸中的一种或多种。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S2中，所述的多组分硅基材料和碳源的质量比为1:2～2:1。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S2中，所述的多组分硅基材料与模板剂的质量比例为：1:8～1:4。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S2中，所述的烧结，恒温温度为650～750℃。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S2中，所述的烧结，恒温时长需≥2h，以确定碳源完全碳化，形成多孔碳包覆层。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S2中，所述的烧结，恒温前升温速率为5℃/min。根据本专利技术的一种实施方式，步骤S2中，所述的混合，为湿法混合，操作方法为：将多组分硅基材料、葡萄糖、氯化钠、去离子水和无水乙醇充分混合，搅拌加热蒸发至糊状后，烘干。根据本专利技术的一种实施方式，所述的洗涤均为水洗；所述的烘干，温度为50～140℃。一种硅碳复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。一种硅碳复合材料制备的锂离子电池在动力能源领域的应用。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅碳复合材料，其特征在于，包括/n多组分硅基材料；以及/n包覆于所述多组分硅基材料表面的多孔碳；/n所述多组分硅基材料选自硅、氧化亚硅、二氧化硅中的至少两种。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料，其特征在于，包括
多组分硅基材料；以及
包覆于所述多组分硅基材料表面的多孔碳；
所述多组分硅基材料选自硅、氧化亚硅、二氧化硅中的至少两种。


2.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.将强碱和氧化亚硅微粉混合后进行煅烧，产物洗涤、烘干后，得到多组分硅基材料；
S2.将步骤S1得到的多组分硅基材料与碳源、模板剂混合后进行烧结，产物洗涤、烘干后即得所述硅碳复合材料。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述煅烧的温度为700～900℃，时间为0.5～1.5h。


4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述煅烧在氮气或惰性气氛中进行。


5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁治英，马兴月，尹周澜，童汇，喻帅，李由，涂瑞萱，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43