一种碳包覆的复合材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种碳包覆复合材料，包括内核和包覆在所述内核外的碳包覆层，所述碳包覆层密度1.0g

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆的复合材料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于碳复合材料的制备领域，具体涉及一种致密均匀碳包覆的复合材料及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]碳包覆是一种常见的材料改性方法。对材料进行碳包覆，一方面可以改善材料的电导率，另一方面可以提供稳定的化学和电化学反应界面。
[0003]目前，碳包覆通常采用固相法、液相法以及气相法工艺。现有技术中，碳包覆可以选择固相法进行，即以固
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固混合的方式，将固体碳源分散于待包覆材料中，然后加热到一定温度后所述固体碳源会发生软化并包覆在待包覆材料的颗粒表面，进一步升高温度即可脱氢成碳。但固相法碳包覆工艺很难实现包覆的均匀性且难以避免颗粒团聚问题。液相法和气相法可以较好避免颗粒团聚的问题。液相法通常采用水、乙醇等溶剂对溶质进行液相分散，然后高温碳化得到碳包覆的材料。但液相法碳包覆涉及溶剂回收且工艺相对繁琐，难以大规模应用。气相法，具体为将含碳气体采用气相沉积的方法包覆在待包覆材料表面。气相法包覆经过设备与工艺的发展，已经成功的应用到新能源相关材料，尤其是针对体积形变大的材料有较好的效果，可以提高导电性、改善界面并降低嵌锂过程的体积膨胀。此外，气相包覆具有污染小且包覆量可控的特点。但气相法包覆的包覆层完整性不稳定，非常容易出现包覆不完整的情况，且包覆层也较难实现具有合适致密性的效果，容易造成内部包覆材料的泄漏或溶出，影响碳包覆复合材料的性能。气相包覆工艺涉及碳源工艺气体的选择以及原材料关键参数的筛选是其中至关重要的指标：原材料表面缺陷的数量、颗粒尺寸的优选以及不同的粉体堆积孔道结构导致不同的活性位点数量，该活性位点数量与工艺气体的搭配导致化学气相沉积过程中扩散与生长成核的复杂竞争反应。因此，均匀致密的碳层依然是气相包覆工艺的难点。均匀致密的碳层可以明显提升产品循环以及储存性能，尤其是高温条件下可抑制副反应。
[0004]在硅负极材料中，体积膨胀是面临的一个最大问题，现有技术通过氧化硅的技术手段虽然能够一定程度上降低体积膨胀，但是还存在电导率低、首次库伦效率不高的问题，碳包覆虽然能够有效解决电导率低的问题，但需要保证碳包覆的包覆层的致密性和完整性，才能够有效的提高碳包覆硅负极材料的电导率的问题。
[0005]因此，亟需需要开发一种具有较高致密性和高包覆完整性的碳包覆的复合材料，以期能够将被包覆材料更完整的包覆在碳层内，使碳包覆复合材料的性能最大化。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本申请目的之一是提供一种碳包覆复合材料，包括内核和包覆在所述内核外的碳包覆层，所述碳包覆层密度1.0
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2.0g
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cm
‑3，所述待碳包覆材料的D50为1~40μm，优选3
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10μm，更优选4
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7μm；粒度分布跨度为0.5≤（D90
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D10）/D50≤2，优选1≤（D90
‑
D10）/D50≤1.5；比表面积为1~5m2·
g
‑1，优选1~2m2·
g
‑1；表面积以及堆积孔道体积
的比值为0.50
‑
2.00cm
‑1，优选0.70
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1.50cm
‑1；包覆后的复合材料D50增加幅度≤3μm，优选≤1μm。
[0007]碳包覆层密度可以通过以下公式计算得到：ρ2=m2ρ1ρ3/（m1ρ3‑
m3ρ1），ρ2为碳包覆层密度，所述碳包覆复合材料的质量为m1，密度为ρ1；所述碳包覆层的质量为m2；所述内核的质量为m3，密度为ρ3；所述碳包覆复合材料置于能够溶解内核特征元素的过量溶液中，进行内核特征元素的溶出测定，所述内核特征元素的溶出量≤100ppm。
[0008]优选地，所述碳包覆材料中碳包覆层的密度1.2g
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cm
‑3≤ρ2≤1.5g
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cm
‑3。
[0009]本申请提供的碳包覆复合材料，具有较高密度的致密的碳包覆层密度，100ppm以下的内核元素溶出量，换言之，本申请提供的碳包覆复合材料具有完整且致密性合适的碳包覆层。包覆完整的碳包覆复合材料有效的避免了包覆的缺陷，可以表征碳包覆层在内核外层的包覆均匀性，而碳层的均匀包覆对于碳包覆材料的性能稳定至关重要，一方面可以缓解内核物质的体积变化（如体积膨胀）；除此之外，完整均匀的碳层可以有效的分散表面电荷从而形成更稳定的双电层结构，在嵌锂过程中形成更均匀稳定的界面；而合适的碳包覆层密度可以表征碳包覆层的致密程度，1.0g
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cm
‑3≤ρ2≤2.0g
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cm
‑3（1.1g
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cm
‑3、1.2g
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cm
‑3、1.3g
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cm
‑3、1.4g
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cm
‑3、1.5g
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cm
‑3、1.6g
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‑3、1.7g
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cm
‑3、1.8g
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‑3、1.9g
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‑3等）能够使碳包覆层具有恰当的密实度，可以形成更稳定的双电层结构。
[0010]本申请对于所述碳包覆复合材料的内核物质没有具体限定，优选的包括无机颗粒，如石墨颗粒、金属锡颗粒、锡氧化物颗粒、硅颗粒、硅氧化物颗粒、氮化硅颗粒、元素掺杂的硅氧复合物颗粒、金属锗颗粒、锗的氧化物颗粒中的任意一种或至少两种的组合。
[0011]本专利技术所得碳包覆复合材料置于能够溶解内核特征元素的过量溶液中，进行内核特征元素的溶出测定，所述内核特征元素的溶出量≤100ppm。所述内核特征元素指所述内核物质通过化学反应等方法获得其ICP定量数据的元素类型，如果内核本身无法被溶解，则需要额外选取其他可溶解的元素作为参考。当所述内核为石墨颗粒时，所述溶出液为王水，所述内核特征元素为杂质微量元素，如铁元素。当所述内核为金属锡颗粒、锡氧化物颗粒时，所述溶出液为王水，所述内核特征元素为锡元素；当所述内核为金属锗颗粒、锗氧化物颗粒时，所述溶出液为王水溶液，所述内核特征元素为锗元素；当所述内核为硅颗粒、硅氧化物颗粒、氮化硅颗粒、元素掺杂的硅氧复合物颗粒时，所述内核特征元素为硅，所述溶出液为氢氧化钠或者氢氟酸溶液，溶出时间为24h以上。
[0012]在所述内核特征元素的溶出量的测定过程中，过量溶液意指溶液的加入量比能够将所述内核特征元素完全溶出的溶液的量还要多。内核特征元素溶出量越少，说明碳包覆越致密和均匀，对内核物质达成了全面完整的包覆，不存在缺陷或者薄弱，完整的包覆结构有利于减少界面的副反应，对于改善电池的高温、低温、存储和循环特性有较大帮助。
[0013]取质量为m1，密度为ρ1的碳包覆复合材料，碳包覆复合材料的碳含量A（对于内核不含碳的复合材料可通过碳硫仪测定碳包覆含量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆复合材料，包括内核物质和包覆在所述内核物质外的碳包覆层，其特征在于，所述碳包覆层密度1.0
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2.0g
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cm
‑3，内核物质，即待碳包覆材料的D50为1~40μm，粒度分布跨度满足0.5≤(D90
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D10)/D50≤2，比表面积为1~5m2·
g
‑1，表面积以及堆积孔道体积的比值为0.50
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2.00cm
‑1；包覆后的复合材料D50增加幅度≤3μm。2.根据权利要求1所述的碳包覆复合材料，其特征在于，碳包覆层的密度1.2g
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cm
‑3≤ρ2≤1.5g
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cm
‑3，待碳包覆材料的D50为3
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10μm，粒度分布跨度满足1≤(D90
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D10)/D50≤1.5，比表面积为1~2m2·
g
‑1，表面积以及堆积孔道体积的比值为0.70
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1.50cm
‑1，包覆后的复合材料D50增加幅度≤1μm。3.根据权利要求1所述的碳包覆复合材料，其特征在于，所述碳包覆复合材料置于能够溶解内核特征元素的过量溶液中，进行内核特征元素的溶出测定，所述内核特征元素的溶出量≤100ppm，所述内核特征元素指所述待碳包覆材料中能够通过化学反应获得其ICP定量数据的元素。4.根据权利要求3所述的碳包覆复合材料，其特征在于，内核物质选自石墨颗粒、金属锡颗粒、锡氧化物颗粒、硅颗粒、硅氧化物颗粒、氮化硅颗粒、元素掺杂的硅氧复合物颗粒、金属锗颗粒、锗的氧化物颗粒中的任意一种或至少两种的组合；当所述内核物质为石墨颗粒时，溶出液为王水，内核特征元素为铁元素；当所述内核物质为金属锡颗粒、锡氧化物颗粒时，溶出液为王水，内核特征元素为锡元素；当所述内核物质为金属锗颗粒、锗氧化物颗粒时，所述溶出液为王水溶液，所述内核特征元素为锗元素；当所述内核物质为硅颗粒、硅氧化物颗粒、氮化硅颗粒、元素掺杂的硅氧复合物颗粒时，溶出液为氢氧化钠或者氢氟酸溶液，内核特征元素为硅。5.根据权利要求4所述的碳包覆复合材料，其特征在于，所述硅氧化物为硅氧比在1:1~1:2之间的任何硅氧化物；所述元素掺杂的硅氧复合物包括锂掺杂的氧化亚硅、镁掺杂的氧化亚硅。6.权利要求1
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5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李金熠，徐泉，李阁，赵岸光，孙东立，程晓彦，
申请(专利权)人：北京壹金新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：