一种长循环高倍率硅碳负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种长循环高倍率硅碳负极材料及其制备方法，包括以下步骤：将硅颗粒与第一溶剂搅拌均匀，再加入表面活性剂、酚类物质、醛类物质继续搅拌进行酚醛树脂包覆反应，得到反应物；将反应物与极性溶剂混合搅拌，之后离心分离，得到预制体；将预制体在惰性气氛下煅烧，得到所需负极材料。本发明专利技术所述的制备方法使用碳层自模板，制备工艺简单，极性溶剂去模板过程中不会对硅颗粒表面造成破坏，制得的硅碳负极材料中硅颗粒以类似豌豆的结构包覆于碳层中，硅颗粒与碳层通过面接触，进一步提高了导电性能，在电池反复循环过程中容量保持率高，倍率性能好，电池综合性能优良，具有广泛的应用前景。泛的应用前景。泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种长循环高倍率硅碳负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于电极材料领域，尤其是涉及一种长循环高倍率硅碳负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂电池的负极材料是决定锂电池的充放电效率、循环寿命等性能的关键因素之一。目前，商业化的锂电池主要以石墨为负极材料，市场上高端石墨材料的比容量已达到360
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365mAh/g，接近于石墨的理论比容量(372mAh/g)，因此以石墨作为负极材料的锂电池能量密度的提升空间有限，无法满足动力电池高能量密度的要求。硅Si由于具有高容量(4200mAh/g)成为下一代负极材料的有利替代者，然而其极大的体积膨胀(大于300％)严重限制了循环性能。通过简单的碳层包覆无法限制硅颗粒的体积膨胀效益，所以出现了蛋黄
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壳结构的硅碳复合材料，通过硅和碳层之间的空隙有效限制了硅的体积膨胀效应。
[0003]现有技术：Zhou等采用溶胶
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凝胶法在硅纳米颗粒表面包覆一层SiO2壳层，以蔗糖为碳源进行热解碳包覆，将SiO2用HF刻蚀后得到蛋黄
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壳结构的Si@void@C复合材料，如图4所示，其中活性物质硅的质量分数为28.54％。相比于硅纳米颗粒和空心碳，Si@void@C具有更好的循环稳定性，首次比容量为813.9mA
·
h/g，循环40次后容量保持在500mA
·
h/g。但是该方法需要额外增加模板，用于空隙的制备，同时活性Si与外壳之间主要通过点接触连接，增加了材料的电化学阻抗，并不利于高速的电子转移和Li
+
迁移。
[0004]Pang等通过非模板法制备了一种石榴状结构的Si@C复合材料，如图5所示。在该材料中，聚丙烯腈(PAN)先包覆Si颗粒并乳化形成微米级颗粒，再经高温碳化后在Si颗粒周围形成了三维碳层结构，最后通过控制HF与Si反应时间调节Si颗粒大小，从而在碳层与Si颗粒之间产生空隙，HF处理后Si表面的天然氧化层被破坏，无法在SEI生成中保护内部Si。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种长循环高倍率硅碳负极材料及其制备方法，以缓解Si在负极材料中应用带来的体积膨胀大、导电性差、循环性能差的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一种长循环高倍率硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将硅颗粒与第一溶剂搅拌均匀，再加入表面活性剂、酚类物质、醛类物质继续搅拌进行酚醛树脂包覆反应，得到反应物；
[0009](2)将反应物与极性溶剂混合搅拌，之后离心分离，得到预制体；
[0010](3)将预制体在惰性气氛下煅烧，得到所需负极材料，惰性气氛可以为氩气、氮气等。
[0011]进一步地，硅颗粒的粒度为0.05
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0.2μm。
[0012]进一步地，所述第一溶剂包括甲醇、乙醇、乙腈、甲苯、水中的一种或多种。
[0013]进一步地，所述酚类物质为间苯二酚、苯酚、对甲基苯酚、间甲基苯酚中的一种或
多种，所述醛类物质为甲醛、乙醛、丁醛和糠醛中的一种或多种。
[0014]进一步地，硅颗粒、酚类物质、醛类物质的质量比为1：0.1
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10：0.2
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20。
[0015]进一步地，所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、十八氨基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵、十六氨基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵中的一种。
[0016]进一步地，步骤(1)中包覆反应的搅拌速度为10
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2000r/min，搅拌时间为10
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600min。
[0017]进一步地，所述极性溶剂包括丙酮、甲苯、乙腈、甲酰胺、甲醇中的一种或多种。
[0018]进一步地，步骤(3)中煅烧的方法为以3
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10℃/min的速率升温至500
‑
1100℃，之后保温1
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3h。
[0019]一种根据上述制备方法制得的长循环高倍率硅碳负极材料。
[0020]相对于现有技术，本专利技术所述的长循环高倍率硅碳负极材料及其制备方法具有以下优势：
[0021](1)本专利技术所述的长循环高倍率硅碳负极材料的制备方法使用碳层自模板，制备工艺简单，极性溶剂去模板过程中不会对硅颗粒表面造成破坏；
[0022](2)本专利技术所述的长循环高倍率硅碳负极材料中硅颗粒以类似豌豆的结构包覆于碳层中，硅颗粒与碳层通过面接触，进一步提高了导电性能，在电池反复循环过程中容量保持率高，倍率性能好，电池综合性能优良，具有广泛的应用前景。
附图说明
[0023]构成本专利技术的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：
[0024]图1为本专利技术实施例所述的硅碳负极材料的SEM图；
[0025]图2为本专利技术实施例所述的硅碳负极材料的TEM图；
[0026]图3为本专利技术实施例所述的硅碳负极材料性能测试结果示意图；
[0027]图4为现有技术中制备的蛋黄
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壳结构的Si@void@C复合材料的结构示意图；
[0028]图5为现有技术中制备的石榴状结构的Si@C复合材料的结构示意图。
具体实施方式
[0029]除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本专利技术所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
[0030]下面结合实施例及附图来详细说明本专利技术。
[0031]实施例1
[0032](1)将1kg 0.1μm纳米硅颗粒投入到放有乙醇溶剂的搅拌釜中搅拌分散，随后加入0.5kg CTAB、0.5kg间苯二酚和1kg甲醛进行酚醛树脂包覆反应1小时；
[0033](2)向搅拌釜中加入极性溶剂丙酮，继续搅拌3小时后，对材料进行离心分离，得到预制体；
[0034](3)将预制体转移到箱式炉中以5℃/min的升温速率升温到800℃，惰性气氛保护
下保温2小时随后自然冷却降温，制得锂电池用硅碳负极材料，其SEM图如图1所示，TEM图如图2所示，从图中可以看出硅碳负极材料的结构为类豌豆型，硅颗粒包覆于碳层中，硅颗粒与碳层通过面接触。
[0035]实施例2
[0036](1)将1kg 0.1μm纳米硅颗粒投入到放有乙醇溶剂的搅拌釜中搅拌分散，随后加入0.5kg CTAB、0.75kg间苯二酚和1.5kg甲醛进行酚醛树脂包覆反应1小时；
[0037](2)向搅拌釜中加入极性溶剂丙酮，继续搅拌3小时后，对材料进行离心分离，得到预制体；
[0038](3)将预制体转移到箱式炉中以5℃/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种长循环高倍率硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将硅颗粒与第一溶剂搅拌均匀，再加入表面活性剂、酚类物质、醛类物质继续搅拌进行酚醛树脂包覆反应，得到反应物；(2)将反应物与极性溶剂混合搅拌，之后离心分离，得到预制体；(3)将预制体在惰性气氛下煅烧，得到所需负极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：硅颗粒的粒度为0.05
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0.2μm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述第一溶剂包括甲醇、乙醇、乙腈、甲苯、水中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述酚类物质为间苯二酚、苯酚、对甲基苯酚、间甲基苯酚中的一种或多种，所述醛类物质为甲醛、乙醛、丁醛和糠醛中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：硅颗粒、酚类物质、醛类物质的质量比为1：0.1
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10：0.2
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20。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：单沈桃，韩健峰，梁海涛，潘文成，
申请(专利权)人：天津市捷威动力工业有限公司，
类型：发明
国别省市：