一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料、其制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及锂离子电池负极材料领域，特别是涉及一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料，所述长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料由硅源、闭孔、填充层和碳包覆层构成；所述闭孔为一个大闭孔或由若干小闭孔构成；所述填充层为碳填充层；本发明专利技术提供一种降低体积膨胀效应和改善循环性能的体积效应的长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料。本发明专利技术还提供一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的制备方法及其应用，工艺简单，降低体积膨胀效应和改善循环性能对硅基材料在锂离子电池中的应用有重大意义。大意义。大意义。

【技术实现步骤摘要】
一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料、其制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池负极材料领域，特别是涉及一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料、其制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]目前商业化负极材料主要为石墨类材料，但因其理论容量较低(372mAh/g)，无法满足于市场的需求。近年来，人们的目光瞄准新型高比容量负极材料：储锂金属及其氧化物(如Sn，Si)和锂过渡金属磷化物。在众多新型高比容量负极材料中，Si因具有高的理论比容量(4200mAh/g)而成为最具潜力的可替代石墨类材料之一，但是硅基材料在充放电过程中存在巨大的体积效应，易发生破裂和粉化，从而丧失与集流体的接触，造成循环性能急剧下降。因此降低体积膨胀效应和提升循环性能对硅基材料在锂离子电池中的应用有重大意义。
[0003]现有的硅碳负极材料采用硅源与石墨复合造粒得到。由于硅源分散均匀困难，势必导致造粒过程中硅源局部团聚现象，硅源团聚的地方在充放电过程中会引起局部的应力集中，导致复合材料局部结构破坏，影响材料的整体性能。因此，如何降低体积膨胀效应和改善循环性能对硅基材料在锂离子电池中的应用有重大意义。

技术实现思路

[0004]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种降低体积膨胀效应和改善循环性能的体积效应的长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料。
[0005]本专利技术还提供一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的制备方法及其应用，工艺简单，降低体积膨胀效应和改善循环性能对硅基材料在锂离子电池中的应用有重大意义。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料，所述长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料由硅源、闭孔、填充层和碳包覆层构成；所述闭孔为一个大闭孔或由若干小闭孔构成；所述填充层为碳填充层。
[0008]对上述技术方案的进一步改进为，所述闭孔的外表面包括有碳层；所述闭孔的大小为0.01～8μm。
[0009]对上述技术方案的进一步改进为，所述硅源为多晶纳米硅或非晶纳米硅中的任一种或多种。
[0010]对上述技术方案的进一步改进为，所述硅源为多晶纳米硅时，所述多晶纳米硅的晶粒大小为1～40nm。
[0011]对上述技术方案的进一步改进为，所述硅源为SiO
x
，其中X为0～0.8；所述硅源的粒度D50小于200nm。
[0012]一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0013]S0、将硅源、分散剂、造孔剂在溶剂中混合分散均匀，进行喷雾干燥处理，得到前驱体A；
[0014]S1、将前驱体A进行碳化处理，得到前驱体B；
[0015]S2、将前驱体B与有机碳源进行机械混合及机械融合，得到前驱体C；
[0016]S3、将前驱体C进行高温真空或加压碳化，得到前驱体D；
[0017]S4、将前驱体D进行粉碎筛分处理，得到前驱体E；
[0018]S5、将前驱体E进行碳包覆热处理，得到所述的硅碳复合材料。
[0019]对上述技术方案的进一步改进为，在所述步骤S0中，所述造孔剂为不溶于或者微溶于分散剂的有机物。
[0020]对上述技术方案的进一步改进为，所述造孔剂为蔗糖、葡萄糖、柠檬酸、酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、沥青、聚乙烯醇、聚吡咯、聚吡咯烷酮、聚苯胺、聚丙烯腈、聚多巴胺、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯中的一种或几种。
[0021]对上述技术方案的进一步改进为，在所述步骤S0中，所述造孔剂与硅源的比例为1～80％。
[0022]一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的应用，使用上述的制备方法制得的长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料，其应用于锂离子电池。
[0023]本专利技术的有益效果为：
[0024]本专利技术提供一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料，其填充层在硅源颗粒之间构成三维导电网络，三维导电网络不仅能有效提高硅基材料的导电性，同时三维导电网络能有效缓解充放电过程中的体积效应，有效地避免了材料在循环过程中的粉化，而且能进一步避免循环过程中硅源与电解液直接接触减少副反应；硅碳复合材料中的闭孔能进一步吸收充放电过程中的应力，进一步降低材料的膨胀；最外层的碳包覆层可避免硅源与电解液直接接触减少副反应，同时能进一步提高硅基材料的导电性和缓解充放电过程中的体积效应。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的结构示意图；
[0026]图2为本专利技术的长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的实施例1的样品切面；
[0027]图3为本专利技术的长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的实施例3的样品切面；
[0028]图4为本专利技术的长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的实施例1样品的充放电曲线。
具体实施方式
[0029]为更好地理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术作进一步说明，但是本专利技术的实施方式不限于此。
[0030]一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料，该长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料由硅源10、闭孔20、填充层30和碳包覆层40构成；所述硅源10为纳米硅或纳米氧化硅(SiOx)，其粒度D50＜200nm。所述闭孔20可以是一个大的闭孔20，或者由多个小的闭孔20组
成，闭孔20的外表面为碳层50；所述填充层30为碳填充层30，其填充于硅源10颗粒之间，以及对颗粒表面进行碳修饰，其表面修饰层至少为一层，单层厚度为0.05～1.0μm。
[0031]优选地，所述长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的闭孔20的大小为0.01～8μm，进一步优选为0.1～7μm，特别优选为0.1～5μm；
[0032]优选地，所述长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的振实密度为0.5～1.2g/cc，进一步优选为0.7～1.2g/cc，特别优选为0.9～1.2g/cc；
[0033]优选地，所述硅源10为SiOx，其中X为0～0.8；
[0034]优选地，所述硅源10的氧含量为0～20％；进一步优选为0～15％，特别优选为0～10％；
[0035]优选地，所述硅源10的粒度D50为＜200nm，进一步优选为30～150nm，特别优选为50～150nm。
[0036]优选地，硅源10为多晶纳米硅或非晶纳米硅中任一种或多种，所述多晶纳米硅的晶粒大小为1～40nm，。
[0037]所述长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料，该材料由硅源10、闭孔20和填充层30构成。
[0038]优选地，所述长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的粒径D50为2～20μm，进一步优选为2～15μm，特别优选为2～10μm。
[0039]优选地，所述长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的粒径Dmax为10～40μm，进一步优选为10～35μm，特别优选为10～30μm。
[0040]优选地，所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料，其特征在于，所述长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料由硅源、闭孔、填充层和碳包覆层构成；所述闭孔为一个大闭孔或由若干小闭孔构成；所述填充层为碳填充层。2.根据权利要求1所述的长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料，其特征在于，所述闭孔的外表面包括有碳层；所述闭孔的大小为0.01～8μm。3.根据权利要求1所述的长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料，其特征在于，所述硅源为多晶纳米硅或非晶纳米硅中的任一种或多种。4.根据权利要求1所述的长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料，其特征在于，所述硅源为多晶纳米硅时，所述多晶纳米硅的晶粒大小为1～40nm。5.根据权利要求1所述的长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料，其特征在于，所述硅源为SiO
x
，其中X为0～0.8；所述硅源的粒度D50小于200nm。6.一种长循环、低膨胀内孔结构硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S0、将硅源、分散剂、造孔剂在溶剂中混合分散均匀，进行喷雾干燥处理，得到前驱体A；S1、将前驱体A进行碳化处理，得到前驱体B；S2、将前驱体B与...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑安华，余德馨，傅儒生，仰韻霖，
申请(专利权)人：广东凯金新能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：