一种中空结构硅碳负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种中空结构硅碳负极材料及其制备方法，包括硅内核以及包覆在所述硅内核外表面的石墨烯外层，所述硅内核与所述石墨烯外层之间设置有中空层。本发明专利技术的一种中空结构硅碳负极材料能够为硅材料的膨胀提供空间，有效缓解了硅碳负极材料在充放电过程中的膨胀导致的容量衰减问题。问题。问题。

【技术实现步骤摘要】
一种中空结构硅碳负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种中空结构硅碳负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为高效轻质便携的储能装置广泛应用于电子设备、电器、电动汽车等领域。目前商品化锂离子电池多采用比容量较低的石墨(370mAhg)作为负极活性材料，而拥有较高理论比容量的硅(Li
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Si4，3590mAhg)作为负极材料非常适合用于制备高性能的锂离子电池。随着电动汽车追求更高的续航里程，越来越多的电池制造商将目光投向克容量更高的硅碳负极。然而，硅碳负极材料在充放电过程中容易造成体积膨胀(300％)，使负极发生破碎，进而导致循环寿命降低，从而限制了硅碳负极的应用。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种中空结构硅碳负极材料能够为硅材料的膨胀提供空间，有效缓解了硅碳负极材料在充放电过程中的膨胀导致的容量衰减问题。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0005]一种中空结构硅碳负极材料，包括硅内核以及包覆在所述硅内核外表面的石墨烯外层，所述硅内核与所述石墨烯外层之间设置有中空层。
[0006]作为本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料的一种改进，所述硅内核的直径为10
‑
100um。
[0007]作为本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料的一种改进，所述硅内核与石墨烯外层的重量份数比为10～15:0.5～2。
[0008]本专利技术的目的之二在于：针对现有技术的不足，而提供一种中空结构硅碳负极材料的制备方法，操作简单，可控性好，可大批量生产。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种中空结构硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤(A)：将硅内核溶解于金属溶液中，加入碱反应，搅拌，离心水洗得到金属沉积物包覆硅内核的第一复合颗粒物；
[0012]步骤(B)：将第一复合颗粒物加入有机物在酸性条件下缩合反应，离心水洗得到有机酯化物包覆硅内核的第二复合颗粒物；
[0013]步骤(C)：将第二复合颗粒物在惰性气体保护下加热煅烧使有机酯化物石墨化形成石墨烯外层，冷却得到第三复合颗粒物；
[0014]步骤(D)：将第三复合颗粒物在酸性条件下反应，除去金属沉积物形成中空层，得到中空结构硅碳负极材料。
[0015]作为本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料的制备方法的一种改进，所述步骤(A)
中硅内核由硅源通过高温热解法或气相沉积法制得。
[0016]作为本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料的制备方法的一种改进，所述硅源为四氢化硅、二甲基二氯硅烷、三甲基二氯硅烷中的一种。
[0017]作为本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料的制备方法的一种改进，所述步骤(A)中金属溶液为锌离子溶液、镁离子溶液、铁离子溶液中的一种。
[0018]作为本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料的制备方法的一种改进，所述步骤(A)中金属溶液的浓度为0.8～2mol/L。
[0019]作为本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料的制备方法的一种改进，所述步骤(B)中有机物为硬脂酸异丙醇、苯乙酸、卟啉中的一种。
[0020]作为本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料的制备方法的一种改进，所述步骤(B)缩合反应的温度为70～90℃，反应时间为0.5～2小时。
[0021]作为本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料的制备方法的一种改进，所述步骤(C)中煅烧的温度为500～700℃，煅烧的时间为1～4小时。
[0022]相对于现在技术，本专利技术的有益效果在于：本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料设置有中空层，能够为硅材料提供膨胀空间，有效缓解了硅碳负极材料在充放电过程中的膨胀导致的容量衰减。
附图说明
[0023]图1是本专利技术的中空结构硅碳负极材料的结构示意图。
[0024]图2是本专利技术的中空结构硅碳负极材料的制备流程图。
[0025]其中：1、硅内核；2、石墨烯外层。
具体实施方式
[0026]1、一种中空结构硅碳负极材料，包括硅内核1以及包覆在所述硅内核1外表面的石墨烯外层2，所述硅内核1与所述石墨烯外层2之间设置有中空层。
[0027]本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料设置有中空层，能够为硅材料提供膨胀空间，有效缓解了硅碳负极材料在充放电过程中的膨胀导致的容量衰减。
[0028]优选地，所述硅内核1的直径为10
‑
100um。硅内核1的直径过大，容易在膨胀过程中撑破石墨烯外层2，硅内核1的直径过小，提供的克比容量较小。
[0029]优选地，所述硅内核1与石墨烯外层2的重量份数比为10～15:0.5～2。控制硅内核1与石墨烯外层2的重量份数比，使结合形成的中空结构硅碳材料更稳定。
[0030]2、一种中空结构硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0031]步骤(A)：将硅内核1溶解于金属溶液中，加入碱反应，搅拌，离心水洗得到金属沉积物包覆硅内核1的第一复合颗粒物；
[0032]步骤(B)：将复合颗粒物加入有机物在酸性条件下缩合反应，离心水洗得到有机酯化物包覆硅内核1的第二复合颗粒物；
[0033]步骤(C)：将第二复合颗粒物在惰性气体保护下加热煅烧使有机酯化物石墨化形成石墨烯外层2，冷却得到第三复合颗粒物；
[0034]步骤(D)：将第三复合颗粒物在酸性条件下反应，除去金属沉积物形成中空层，得
到中空结构硅碳负极材料。
[0035]本专利技术的一种中空结构硅碳负极材料的制备方法，先在硅内核1表面沉积金属沉积物，在金属沉积物表面反应生成有机酯化物，将得到的反应物进行石墨化，使有机酯化物形成石墨烯外层2，在酸性条件下刻蚀去除金属沉积物得到中空层，从而制得中空结构硅碳负极材料，该制备方法操作简单，可控性好，可大批量生产。
[0036]优选地，所述步骤(A)中硅内核1由硅源通过高温热解法或气相沉积法制得。通过热解法或气相沉积法得到的硅内核1纯度更高，能提供更高的比克容量。
[0037]优选地，所述硅源为四氢化硅、二甲基二氯硅烷、三甲基二氯硅烷中的一种。使用四氢化硅、二甲基二氯硅烷、三甲基二氯硅烷作为硅源，容易进行还原氧化，形成纯度高的硅内核1。
[0038]优选地，所述步骤(A)中金属溶液为锌离子溶液、镁离子溶液、铁离子溶液中的一种。金属溶液先生成沉积物沉积在硅内核1表面，并提供有机物的生成接点，使有机酯化物生成在金属沉积物的外表面，从而形成包覆外层，而金属溶液在这种过程中作为一种中间反应物，可以是锌离子溶液、镁离子溶液、铁离子溶液等在碱性条件下生成沉积的溶液，优选地，使用锌离子溶液。
[0039]优选地，所述步骤(A)中金属溶液的浓度为0.8～2mol/L。金属溶液作为一种中间反应物，其反应生成金属沉积物在硅内核1表面，金属溶液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中空结构硅碳负极材料，其特征在于，包括硅内核以及包覆在所述硅内核外表面的石墨烯外层，所述硅内核与所述石墨烯外层之间设置有中空层。2.根据权利要求1所述的一种中空结构硅碳负极材料，其特征在于，所述硅内核的直径为10
‑
100um。3.根据权利要求1所述的一种中空结构硅碳负极材料，其特征在于，所述硅内核与石墨烯外层的重量份数比为10～15:0.5～2。4.一种中空结构硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(A)：将硅内核溶解于金属溶液中，加入碱反应，搅拌，离心水洗得到金属沉积物包覆硅内核的第一复合颗粒物；步骤(B)：将第一复合颗粒物加入有机物在酸性条件下缩合反应，离心水洗得到有机酯化物包覆硅内核的第二复合颗粒物；步骤(C)：将第二复合颗粒物在惰性气体保护下加热煅烧，使有机酯化物石墨化形成石墨烯外层，冷却得到第三复合颗粒物；步骤(D)：将第三复合颗粒物在酸性条件下反应，除去金属沉积物形成中空层，得到中空结构硅碳负极材料。5.根据权利要求4所述的一种中空结构硅碳负极...

【专利技术属性】
技术研发人员：王汭，
申请(专利权)人：江苏塔菲尔新能源科技股份有限公司江苏塔菲尔动力系统有限公司，
类型：发明
国别省市：