一种碳包硅及其制备方法和应用、锂离子电池负极的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种碳包硅及其制备方法和应用、锂离子电池负极的制备方法，属于电极材料技术领域。本发明专利技术在碳包硅的碳层中引入金属纳米颗粒，在充放电过程中提供电子通道，大幅提高其电化学性能，而且利用碳层的刚性有效解决了硅在充放电过程中的体积膨胀问题，而且大大改善了碳层导电性，提高了碳包硅的电化学性能。本发明专利技术所述方案使用的原料成本低、来源广；而且采用水热反应，制备流程简便、能耗较低、绿色环保，易实现工业化生产。易实现工业化生产。易实现工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包硅及其制备方法和应用、锂离子电池负极的制备方法


[0001]本专利技术涉及电极材料
，尤其涉及一种碳包硅及其制备方法和应用、锂离子电池负极的制备方法。

技术介绍

[0002]已有研究发现，硅在作为锂离子电池负极材料时，理论比容量是商业石墨的十倍以上，有十分广阔的前景。但是，硅材料在充放电时，存在巨大的体积膨胀问题，导致其循环稳定性极差，不能直接应用。
[0003]目前解决该问题的方法主要有将硅颗粒纳米化、制成合金、构造特殊结构的硅或制备硅复合材料。在众多方法中，碳包硅可以极大地缓解硅的体积变化问题，有效提升材料的电化学性能。但是，现行的制备方法主要为化学气相沉积、电化学沉积和化学刻蚀等方法，不仅成本高昂，而且污染较大。同时，采用这些方法制备得到的碳包硅中的碳层多为无定形碳，导电性差，影响了复合材料的电性能发挥。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种碳包硅及其制备方法和应用、锂离子电池负极的制备方法，所制备的碳包硅导电性好，电化学性能优异。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种碳包硅的制备方法，包括以下步骤：
[0007]将碳源、金属源、硅和水混合，得到反应液；
[0008]将所述反应液依次进行水热反应和碳化处理，得到碳包硅。
[0009]优选的，所述碳源包括葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素、环糊精和木质素中的一种或几种；所述碳源在反应液中的浓度为0.1～5mol/L。
[0010]优选的，所述金属源包括可溶性金属盐，所述可溶性金属盐包括醋酸类金属盐、硝酸类金属盐或硫酸类金属盐；所述金属源中的金属元素包括锰、铜、镍、钴、铁、钯、金或银。
[0011]优选的，所述硅包括颗粒状硅、片状硅或针状硅。
[0012]优选的，所述碳源、硅和金属源的质量比为10:(1～20):(0.1～5)。
[0013]优选的，所述水热反应的温度为170～300℃，所述水热反应的时间为2～24h。
[0014]优选的，所述碳化处理的温度为750～1700℃，保温时间1～4h。
[0015]本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的碳包硅，包括硅颗粒以及包裹在所述硅颗粒表面的碳层，所述碳层中均匀分散有金属纳米颗粒。
[0016]本专利技术提供了上述技术方案所述碳包硅在制备锂离子电池负极的应用。
[0017]本专利技术提供了一种锂离子电池负极的制备方法，包括以下步骤：
[0018]将碳包硅、导电剂、粘合剂和水混合，得到负极浆料；所述碳包硅为上述技术方案所述碳包硅；
[0019]将所述负极浆料涂敷在金属箔上，得到锂离子电池负极。
[0020]本专利技术提供了一种碳包硅的制备方法，包括以下步骤：将碳源、金属源、硅和水混合，得到反应液；将所述反应液依次进行水热反应和碳化处理，得到碳包硅。本专利技术利用水热反应和碳化处理制备碳包硅，在水热反应过程中，碳源发生聚合反应生成聚合物层并成功包裹在硅颗粒表面，同时水热过程会形成含有少量官能团的碳单质，将金属源中的金属离子还原成金属纳米颗粒并均匀分散在聚合物层中形成球形颗粒；本专利技术通过碳化处理对包裹在硅表面的聚合物层进行脱氢和脱氧，从而实现碳化形成碳层；同时利用金属纳米颗粒的催化作用，碳原子发生催化重排，实现无定形碳到石墨碳的转变，从而提升碳层的石墨化程度，进而提高材料的导电性和电学性能。本专利技术在碳包硅的碳层中引入金属纳米颗粒，在充放电过程中提供电子通道，大幅提高其电化学性能；而且利用碳层的刚性有效解决了硅在充放电过程中的体积膨胀问题，而且大大改善了碳层导电性，提高了碳包硅的电化学性能。
[0021]本专利技术可通过对原料浓度、水热反应以及碳化处理的条件温度和时间的调控得到尺寸可控、粒径均匀的球状碳包硅颗粒，并实现碳层的厚度可控，保证硅表面有包覆良好的碳层结构，能够有效的解决硅作为电极材料时，在充放电过程中的体积膨胀的问题，且所制备的碳包硅表面碳层包覆规整，金属纳米颗粒分布均匀，金属纳米颗粒纯度高，无杂质，具有较好的电化学循环稳定性、倍率性能和较好的导电性。
[0022]本专利技术提供的所述方案使用的原料成本低、来源广；而且采用水热反应，制备流程简便、能耗较低、绿色环保，易实现工业化生产。
附图说明
[0023]图1为实施例1制备的碳包硅的SEM图(a)和EDS能谱图(b)；
[0024]图2为实施例1制备的碳包硅的拉曼光谱图(a)和XRD图(b)；
[0025]图3为实施例1制备的碳包硅所制备的半电池的C
‑
V图；
[0026]图4为亚微米硅和实施例1的碳包硅制备得到的半电池的循环曲线和库伦效率图(a)以及亚微米硅和实施例1的碳包硅制备得到的半电池的倍率性能曲线图(b)；
[0027]图5为亚微米硅和实施例1的碳包硅制备得到的半电池的交流阻抗图。
具体实施方式
[0028]本专利技术提供了一种碳包硅的制备方法，包括以下步骤：
[0029]将碳源、金属源、硅和水混合，得到反应液；
[0030]将所述反应液依次进行水热反应和碳化处理，得到碳包硅。
[0031]在本专利技术中，若无特殊说明，所需原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
[0032]本专利技术将碳源、金属源、硅和水混合，得到反应液。在本专利技术中，所述碳源优选包括葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素、环糊精和木质素中的一种或几种；当所述碳源优选为上述中的几种时，本专利技术对不同种类碳源的配比没有特殊的限定，任意配比均可。在本专利技术中，所述葡萄糖优选为D
‑
(+)
‑
葡萄糖、D
‑
(+)
‑
葡萄糖一水合物和L
‑
(
‑
)
‑
葡萄糖中的一种或几种；当所述葡萄糖为上述中的几种时，本专利技术对不同种类葡萄糖的配比没有特殊的限定，任意配比均可。在本专利技术中，所述碳源在反应液中的浓度优选为0.1～5mol/L，更优选为0.56～
4.0mol/L，进一步优选为1.11～3mol/L。
[0033]在本专利技术中，所述金属源优选包括可溶性金属盐，所述可溶性金属盐优选包括醋酸类金属盐、硝酸类金属盐或硫酸类金属盐；所述金属源中的金属元素优选包括锰、铜、镍、钴、铁、钯、金或银。
[0034]在本专利技术中，所述硅优选包括颗粒状硅、片状硅或针状硅；所述硅优选为亚微米级硅；所述亚微米级硅的粒径优选为400～1000nm，更优选为400～900nm，进一步优选为500～800nm；所述亚微米级硅优选来源于光伏产业废料硅。
[0035]在本专利技术中，所述碳源、硅和金属源的质量比优选为10:(1～20):(0.1～5)，更优选为10:(1～15):(0.31～3.5)，进一步优选为10:(2～6):(0.5～2)，最优选为10:(4～5):(1～2)。
[0036]本专利技术对所述碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包硅的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将碳源、金属源、硅和水混合，得到反应液；将所述反应液依次进行水热反应和碳化处理，得到碳包硅。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳源包括葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素、环糊精和木质素中的一种或几种；所述碳源在反应液中的浓度为0.1～5mol/L。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属源包括可溶性金属盐，所述可溶性金属盐包括醋酸类金属盐、硝酸类金属盐或硫酸类金属盐；所述金属源中的金属元素包括锰、铜、镍、钴、铁、钯、金或银。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅包括颗粒状硅、片状硅或针状硅。5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述碳源、硅和金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑淞生，陈思，郑雷铭，张叶涵，王兆林，李钷，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：