一种高倍率硅氧碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高倍率硅氧碳材料及其制备方法和应用。本发明专利技术的高倍率硅氧碳材料为多层核壳结构，从内到外依次为氧化亚硅核、导电三维网络、多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层、致密碳层。本发明专利技术高倍率硅氧碳材料中导电三维网络可以提高材料电导率，减低极化，提高比容量；多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层均匀包覆有效抑制颗粒的膨胀，并维持膨胀后碳包覆层的完整性，也可进一步提高复合材料的电导率；高分子聚合物碳化层可以形成完整、光滑的致密包覆层，起到抑制膨胀、减少比表面积、提高导电性，降低材料的副反应的作用。综合我们可以得到高导电性，低膨胀，低比表面积的氧化亚硅材料，进而可以有效提高锂离子电池的倍率性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种高倍率硅氧碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂电池
，尤其涉及一种高倍率硅氧碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于其比容量大，使用寿命长，安全性高，方便携带等诸多优点，已成为当前世界研究的热点，并广泛应用于各种电子设备，电动汽车以及便携储能设备中。
[0003]硅基材料作为新型的锂离子二次电池负极材料，相对石墨其有更高的比容量，但其缺陷也是相当明显，体积膨胀大，倍率性能差，首次充放电效率低，且在充放电过程中，活性材料容易粉化、脱落严重影响其使用寿命。作为硅基材料的氧化亚硅负极材料，相对纳米硅，其整体的体积膨胀相对较小，在后期生产改进中具有更大的优势。
[0004]氧化亚硅材料相对石墨依然有较高的理论比容量(大于2000mAh/g)，但是其缺陷也是非常明显，其循环性能，倍率性能则比石墨差很多，另外其首周效率远低于石墨材料，主要原因在于氧化亚硅材料在首次充放电过程中锂离子会与硅氧材料反应生成Li2O和Li2SiO4，消耗较多活性锂导致首周效率低。因此当前研究人员对氧化亚硅负极材料研究主要集中在材料的循环性能，倍率性能改善以及首次效率提升方面，这也是当前氧化亚硅负极材料研究的重难点。究其原因主要是氧化亚硅具有低导电性、高膨胀、易与电解液反应等缺陷。
[0005]因此，需要开发一种低膨胀、低比表面积和电化学性能好的氧化亚硅的负极材料适于规模化生产的锂电池负极材料。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术存在的局限性，本专利技术提供一种高倍率硅氧碳材料及其制备方法和应用。本专利技术的高倍率硅氧碳材料利用高导电性的材料，对氧化亚硅进行表面包覆；先包覆一层导电三维网络，再包覆一层均匀的多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层，最后再包覆一层高分子聚合物碳化层，其中，导电三维网络可以提高材料电导率，减低极化，提高比容量，多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层均匀包覆有效抑制颗粒的膨胀，并维持膨胀后碳包覆层的完整性，同时提高复合材料的电导率；高分子聚合物碳化层可以形成完整、光滑的包覆层，碳化后的致密包覆层起到抑制膨胀、减少比表面积、提高导电性，降低材料的副反应的作用。综合我们可以得到高导电性，低膨胀，低比表面积的氧化亚硅材料，进而可以有效提高锂离子电池的倍率性能。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0008]本专利技术的目的之一是提供一种高倍率硅氧碳材料，所述硅氧碳材料为多层核壳结构，所述多层核壳结构从内到外依次为氧化亚硅核、导电三维网络、多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层中的至少一种、致密碳层。
[0009]本专利技术中第1包覆层为导电三维网络，导电三维网络具有高电导性，可以提高材料
电导率，减低极化，提高比容量。
[0010]本专利技术中第2层包覆采用机械融合的方式，将沥青等多孔碳层的碳源均匀负载含第1包覆层的复合材料表面形成完整的包覆层，完整的包覆层起到抑制材料膨胀，并防止电解液与氧化亚硅接触，同时维持膨胀过程中的颗粒完整；当多孔碳层中加入导电剂时，可以进一步提高导电性能。
[0011]本专利技术中第3层包覆层为液相包覆的致密高分子碳化层，具有完整、光滑的包覆层结构，有效抑制氧化亚硅的膨胀，并降低表面积，提高导电性。
[0012]在本专利技术中，构筑的最内层导电三维网络可以快速的将电子扩散到氧化亚硅表面，相当于增加了瞬间的活性位点。同时中间的包覆层为多孔的硬碳或软碳，而硬碳或软碳具有优异的离子扩散速率，在高倍率下快速地吸附正极过来的锂离子，再扩散至氧化亚硅。综上，本专利技术的硅氧碳材料具有快的电子电导和快的离子电导，从而提升倍率性能。
[0013]优选地，所述多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层的厚度为5
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50nm，更优选为5
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20nm，孔隙率为30
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90％，更优选为40
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60％；
[0014]所述致密碳层的厚度为1
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10nm，孔隙率为5
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30％，更优选为5
‑
15％。
[0015]优选地，所述氧化亚硅核中，氧化亚硅的中值粒径为0.5～10微米；
[0016]所述硅氧碳材料的比表面积为0.5
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3m2/g，更优选为0.8
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1.2m2/g；
[0017]所述硅氧碳材料的振实密度为1.1
‑
1.45g/cc，更优选为1.29
‑
1.36g/cc。
[0018]优选地，所述导电三维网络中的导电剂或多孔碳层中的导电剂独立地选自碳纳米管、碳纤维、科琴黑、具有高导电性的金属单质或可碳热还原的金属盐或金属氧化物中的任意一种或至少两种的组合。
[0019]优选地，所述金属单质选自铜、铁、银、镍、镁、铝或锌中的任意一种或至少两种的组合；所述金属盐选自铜、镍、银或锌对应的硝酸盐、醋酸盐或氯化盐中的任意一种或至少两种的组合；所述金属氧化物选自氧化铜、氧化银或氧化锌中的任意一种或至少两种的组合；
[0020]更优选所述金属单质颗粒的粒径≤1微米。
[0021]本专利技术的目的之二是提供本专利技术的目的之一所述的高倍率硅氧碳材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0022](1)导电三维网络的构建：采用液相法或者固相法将导电剂包覆在氧化亚硅表面，得到导电三维网络包覆氧化亚硅的材料，记为样品1；
[0023](2)多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层的构建：将所述样品1与多孔碳层的碳源、任选地导电剂经过掺混，颗粒融合后，惰性保护性气氛下进行烧结后，得到多孔碳层包覆样品1的材料，记为样品2；
[0024](3)致密碳层的构建：将样品2与碳源混合，采用液相包覆的方式在样品2表面负载一层有机碳源，在惰性保护性气氛下进行高温碳化、过筛，得到致密碳层包覆样品2的材料，即为所述高倍率硅氧碳材料。
[0025]优选地，步骤(1)中，采用液相法将导电剂包覆在氧化亚硅表面的方法为：将氧化亚硅、导电剂分散在溶剂中，搅拌干燥、粉粹，得到导电三维网络包覆氧化亚硅的材料；
[0026]采用固相法将导电剂包覆在氧化亚硅表面的方法为：将氧化亚硅与导电剂混合均匀，得到导电三维网络包覆氧化亚硅的材料；
[0027]优选导电剂与氧化亚硅的质量比为(0.001～0.1):1。
[0028]优选地，步骤(2)中，
[0029]所述多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层的碳源为低残碳率的高分子聚合物，优选为沥青或酚醛树脂；
[0030]多孔碳层的碳源或含有导电剂的多孔碳层的碳源与样品1中氧化亚硅的质量比为(0.01～0.1):1；
[0031]烧结的温度为600℃～1000℃，烧结的时间为1h～5h；
[0032]含有导电剂的多孔碳层中，导电剂与多孔碳层的碳源的质量比为1：5
‑
10。
[0033]优选地，
[0034]步骤(3)中，<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高倍率硅氧碳材料，其特征在于：所述硅氧碳材料为多层核壳结构，所述多层核壳结构从内到外依次为氧化亚硅核、导电三维网络、多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层中的至少一种、致密碳层。2.根据权利要求1所述的高倍率硅氧碳材料，其特征在于：所述多孔碳层或含有导电剂的多孔碳层的厚度为5
‑
50nm，孔隙率为30
‑
90％；所述致密碳层的厚度为1
‑
10nm，孔隙率为5
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30％。3.根据权利要求1所述的高倍率硅氧碳材料，其特征在于：所述氧化亚硅核中，氧化亚硅的中值粒径为0.5～10微米；所述硅氧碳材料的比表面积为0.5
‑
3m2/g；所述硅氧碳材料的振实密度为1.1
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1.45g/cc。4.根据权利要求1所述的高倍率硅氧碳材料，其特征在于：所述导电三维网络中的导电剂或多孔碳层中的导电剂独立地选自碳纳米管、碳纤维、科琴黑、具有高导电性的金属单质或可碳热还原的金属盐或金属氧化物中的任意一种或至少两种的组合。5.根据权利要求4所述的高倍率硅氧碳材料，其特征在于：所述金属单质选自铜、铁、银、镍、镁、铝或锌中的任意一种或至少两种的组合；所述金属盐选自铜、镍、银或锌对应的硝酸盐、醋酸盐或氯化盐中的任意一种或至少两种的组合；所述金属氧化物选自氧化铜、氧化银或氧化锌中的任意一种或至少两种的组合；优选所述金属单质颗粒的粒径≤1微米。6.根据权利要求1
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5任一所述的高倍率硅氧碳材料的制备方法，其特征在于所述制备方法包括以下步骤：(1)导电三维网络的构建：采用液相法或者固相法将导电剂包覆在氧化亚硅表面，得到导电三维网络包覆氧化亚硅的材料，记为样品1；(2)多孔碳层或...

【专利技术属性】
技术研发人员：王胜彬，王世贤，俞会根，
申请(专利权)人：北京卫蓝新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：