一种纳米碳硅复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及电池负极材料领域，特别是涉及一种纳米碳硅复合材料，包括碳纳米材料、纳米硅以及碳质粘结剂，其中的碳纳米材料和纳米硅为主体储锂材料。本发明专利技术提供一种纳米碳硅复合材料，具有良好的循环性能和充放电性能，具有重要的市场价值和社会价值。本发明专利技术还提供一种纳米碳硅复合材料的制备方法，制备简单，且在制备过程中不会出现团聚现象，使纳米硅的充分分散，保证了该材料的性能。保证了该材料的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米碳硅复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电池负极材料领域，特别是涉及一种纳米碳硅复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着各种便携式电子设备及电动汽车的广泛发展和快速应用，对具有高比容量、长循环寿命和高安全性的高性能锂电池特别是锂离子电池的需求日益迫切。负极材料作为锂电池的关键材料之一，对锂电池性能的提高起着至关重要的作用。
[0003]当前商业化的锂电池特如锂离子电池仍主要采用石墨类碳负极材料。难以满足高性能锂电池的要求，大大制约了锂电池的发展与应用。各种非碳负极材料中，硅(理论容量高达4200mAh/g)以其独特的优势和潜力吸引了越来越多研究者的目光。但是硅基负极材料在嵌脱锂过程中体积变化达到300％以上。严重的体积膨胀所产生的内应力导致电极材料粉化和剥落，其容量迅速下降，最终使电池失去活性。出于大规模产业化应用的考虑，制备具有纳米结构的高性能复合硅碳负极材料具有极大发展潜力。
[0004]目前虽有硅碳复合材料的公开，但目前制备的硅碳复合材料在锂离子脱嵌过程中难以保持活性硅材料的结构稳定性，导致循环稳定性、倍率性能和安全性能不理想，限制了其实际应用。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种纳米碳硅复合材料，具有良好的循环性能和充放电性能，具有重要的市场价值和社会价值。
[0006]本专利技术还提供一种纳米碳硅复合材料的制备方法，制备简单，且在制备过程中不会出现团聚现象，使纳米硅的充分分散，保证了该材料的性能。
[0007]本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种纳米碳硅复合材料，包括碳纳米材料、纳米硅以及碳质粘结剂，其中的碳纳米材料和纳米硅为主体储锂材料。
[0009]对上述技术方案的进一步改进为，所述碳纳米材料为内核，所述纳米硅以壳结构包覆在碳纳米材料上，所述碳质粘结剂用于将多个第一前驱体粘结。
[0010]对上述技术方案的进一步改进为，所述碳纳米材料所占复合材料的重量百分比为15
‑
80％，所述纳米硅占复合材料的重量百分比为10
‑
55％，所述碳质粘结剂所占复合材料的重量百分比为5
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75％。
[0011]对上述技术方案的进一步改进为，所述碳纳米材料的粒度为10
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500nm，纳米硅的粒度为5
‑
200nm；所述纳米硅碳复合负极材料的粒度为10
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30μm。
[0012]一种纳米碳硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013]在碳纳米材料上动态沉积一层纳米硅，使纳米硅以壳结构均匀包覆在碳纳米材料上，制得第一前驱体；
[0014]将上述步骤中制得的第一前驱体与碳质粘结剂混合后导入二次造粒设备中进行二次造粒，制得第二前驱体；
[0015]将上述步骤中制得的第二前驱体经碳化处理后制得第三前驱体；
[0016]将上述步骤中制得的第三前驱体经破碎筛分制得纳米硅碳复合负极材料。
[0017]对上述技术方案的进一步改进为，在所述在碳纳米材料上动态沉积一层纳米硅，使纳米硅以壳结构均匀包覆在碳纳米材料上，制得第一前驱体步骤中，首先将碳纳米材料装入真空回转管式炉中后进行抽真空处理；然后将真空回转管式炉内加热至750
‑
1200℃后以1.5
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2.5L/min的速度向真空回转管式炉内通入硅源，使硅源分解出纳米硅，纳米硅以壳结构均匀包覆在碳纳米材料上，冷却后即制得所述第一前驱体。
[0018]对上述技术方案的进一步改进为，所述硅源为SiH4、Si2H4、SiHCl3或SiCl4中的一种或多种的组合。
[0019]对上述技术方案的进一步改进为，在所述将上述步骤中制得的第一前驱体与碳质粘结剂混合后导入二次造粒设备中进行二次造粒，制得第二前驱体步骤中，将制备的第一前驱体与碳质粘结剂在混合机中均匀混合1
‑
1.5小时制得第一前驱体和碳质粘结剂混合物，将第一前驱体和碳质粘结剂混合物导入造粒设备中进行二次造粒制得第二前驱体。
[0020]对上述技术方案的进一步改进为，在所述将上述步骤中制得的第二前驱体经碳化处理后制得第三前驱体步骤中，将第二前驱体置入真空回转管式炉中并充入氮气作为保护气，然后将真空回转管式炉加热到450
‑
1500℃，使第二前驱体在氮气气氛下碳化3
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7小时后制得第三前驱体。
[0021]对上述技术方案的进一步改进为，所述碳质粘结剂为葡萄糖、糠醛树脂、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯腈中的一种或多种的组合。
[0022]本专利技术的有益效果为：
[0023]本专利技术具有高首效、低膨胀和长循环等优点的锂离子电池硅碳负极材料，自填充包覆硅基复合材料纳米硅之间填充的导电碳网络不仅能效的提高硅基材料的导电性，同时有效的缓解充放电过程中的体积效应，有效的避免了材料在循环过程中的粉化。最外层碳包覆层避免了纳米硅与电解液直接接触，能进一步有效的提高硅基材料的导电性，同时能有效的缓解充放电过程中的体积效应，有效的避免了材料在循环过程中的粉化，缓解了硅基材料的体积膨胀效应、提升了循环性能，能提高材料的导电性和倍率性能。
具体实施方式
[0024]下面将结合本专利技术实施例，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。
[0025]实施例1：
[0026]首先将粒度D50为20nm的碳纳米材料装入真空回转管式炉中后进行抽真空处理；然后将真空回转管式炉内加热至700℃后以1.5L/min的速度向真空回转管式炉内通入的硅源，使硅源分解出粒度为5
‑
200nm的纳米硅，纳米硅以壳结构均匀包覆在碳纳米材料上，冷却后即制得所述第一前驱体。硅源为SiH4、Si2H4、SiHCl3或SiCl4中的一种或其任意多种的
组合；
[0027]首先将上述步骤中制备的第一前驱体与碳质粘结剂在混合机中均匀混合1小时制得第一前驱体和碳质粘结剂混合物，碳质粘结剂为葡萄糖、糠醛树脂、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯腈中的一种或多种的组合；将第一前驱体和碳质粘结剂混合物导入造粒设备中进行二次造粒制得第二前驱体；
[0028]将上述步骤中制得的第二前驱体置入真空回转管式炉中并充入氮气作为保护气，将真空回转管式炉内加热到450℃使第二前驱体在氮气气氛下碳化3小时后制得第三前驱体；
[0029]将上述步骤中制得的第三前驱体通过破碎筛分制得实施例一的纳米硅碳复合负极材料，其中碳纳米材料所占重量百分数为15％，纳米硅为35％，碳质粘结剂为50％。
[0030]实施例2：
[0031]首先将粒度D50为25nm的碳纳米材料装入真空回转管式炉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米碳硅复合材料，其特征在于，包括碳纳米材料、纳米硅以及碳质粘结剂，其中的碳纳米材料和纳米硅为主体储锂材料。2.根据权利要求1所述的纳米碳硅复合材料，其特征在于，所述碳纳米材料为内核，所述纳米硅以壳结构包覆在碳纳米材料上，所述碳质粘结剂用于将多个第一前驱体粘结。3.根据权利要求1所述的纳米碳硅复合材料，其特征在于，所述碳纳米材料所占复合材料的重量百分比为15
‑
80％，所述纳米硅占复合材料的重量百分比为10
‑
55％，所述碳质粘结剂所占复合材料的重量百分比为5
‑
75％。4.根据权利要求1所述的纳米碳硅复合材料，其特征在于，所述碳纳米材料的粒度为10
‑
500nm，纳米硅的粒度为5
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200nm；所述纳米硅碳复合负极材料的粒度为10
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30μm。5.一种纳米碳硅复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在碳纳米材料上动态沉积一层纳米硅，使纳米硅以壳结构均匀包覆在碳纳米材料上，制得第一前驱体；将上述步骤中制得的第一前驱体与碳质粘结剂混合后导入二次造粒设备中进行二次造粒，制得第二前驱体；将上述步骤中制得的第二前驱体经碳化处理后制得第三前驱体；将上述步骤中制得的第三前驱体经破碎筛分制得纳米硅碳复合负极材料。6.根据权利要求5所述的纳米碳硅复合材料的制备方法，其特征在于，在所述在碳纳米材料上动态沉积一层纳米硅，使纳米硅以壳结构均匀包覆在碳纳米材料上，制得第一前...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛传长，仰永军，
申请(专利权)人：内蒙古凯金新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：