一种小粒径纳米硅碳负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种小粒径纳米硅碳负极材料及制备方法，具体为：先将碳前驱体材料涂布在柔性基底上并烘干，形成薄膜；再将涂有碳前驱体的薄膜置于PVD镀膜设备中，镀硅薄膜；在硅薄膜上继续涂布碳前驱体材料并辊压，重复上述步骤，形成碳前驱体硅复合膜；之后将样品置于惰性气氛中进行煅烧，粉碎，将材料置于CVD炉中进行气相碳包覆，通入混合气体，进行保温反应，将CVD包覆后的材料进行筛分除磁，即可。本发明专利技术提出的小粒径气相分散硅与碳前驱体复合技术，实现碳与纳米级甚至亚纳米级的硅的均匀复合，并且通过后续固相或气相碳包覆，实现整个二次颗粒的完整均匀包覆，从而提高硅碳负极材料性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种小粒径纳米硅碳负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂电池负极材料制备
，具体涉及一种小粒径纳米硅碳负极材料及制备方法。

技术介绍

[0002]随着新能源锂电技术的进步，电池越来越朝着轻质化、微型化、长续航方向发展，因此对电池的能量密度提出了极高的要求。传统石墨负极材料越来越接近其理论容量372mAh/g，硅基负极材料相比于传统石墨负极材料具有更高的容量，是当前高能量密度电池的核心材料。但是硅基负极材料在充放电过程中巨大的体积变化，给硅碳负极的产业化应用带来了极大的挑战。如何降低硅碳负极材料的膨胀，提高电池循环性能成为目前研究的热点问题。
[0003]目前，硅碳负极材料制备技术主要是将纳米硅材料与碳材料进行复合，通常是先制备纳米硅材料，然后再与碳前驱体材料进行复合，进而制备成硅碳复合材料。为了缓解硅在脱嵌锂过程中巨大的体积变化以及循环恶化问题，需要将硅材料纳米化。理论上来说，纳米硅尺寸越小，其膨胀性能越好，同时其抗氧化性和分散性越差。当前硅纳米化的主要手段是砂磨法、气相裂解法。这些制备方法单独制备的纳米硅，要么粒径较大，要么团聚较为严重，之后与碳进行复合效果较差，因而给硅碳负极材料的制备带来了极大的困难。当前常规硅碳材料基本是采用100nm以上的纳米硅与碳材料实现复合制得。虽然一定程度上能够满足商业化应用，但是仍然面临着在实际使用过程中掺混量较少，容量搭配低，膨胀较大的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种小粒径纳米硅碳负极材料的制备方法，将小粒径的气相分散硅与碳前驱体复合，实现碳与纳米级甚至亚纳米级硅的均匀复合，从而提高硅碳负极材料的性能。
[0005]本专利技术的另一目的是提供上述小粒径纳米硅碳负极材料。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，一种小粒径纳米硅碳负极材料的制备方法，具体按照以下步骤实施：
[0007]S1、将碳前驱体材料涂布在柔性基底上并烘干，形成均匀薄膜；
[0008]S2、将涂有碳前驱体的薄膜置于PVD镀膜设备中，均匀镀一层硅薄膜；
[0009]S3、在硅薄膜上继续涂布一层碳前驱体材料并辊压，得到碳前驱体硅复合薄膜；
[0010]S4、重复步骤S2
‑
S3，形成一定厚度的碳前驱体硅复合膜；
[0011]S5、将含基底的碳前驱体硅复合膜样品置于惰性气氛煅烧炉中进行煅烧；
[0012]S6、将煅烧后的材料进行粉碎，粉碎到D50＝3～10μm；
[0013]S7、将粉碎后的材料置于CVD炉中进行气相碳包覆，通入乙炔与氮气的混合气体，在500～700℃下保温1～5h；
[0014]S8、将CVD包覆后的材料进行筛分除磁，即得到小粒径纳米硅碳负极材料。
[0015]本专利技术的特点还在于，
[0016]步骤S1中，柔性基底材料为PP、PET、PI、PE、PC、PMMA 中的任意一种；碳前驱体材料为酚醛树脂、环氧树脂、沥青、葡萄糖中的任意一种。
[0017]步骤S2中，硅薄膜的厚度不大于50nm。
[0018]步骤S4中，碳前驱体硅复合膜的厚度为100～8000μm。
[0019]步骤S5中，煅烧温度为400～600℃，煅烧时间为1～5h。
[0020]步骤S7中，混合气体中乙炔与氮气的体积比为0.2～1：1。
[0021]本专利技术所采用的另一技术方案是，一种小粒径纳米硅碳负极材料，采用上述制备方法制备得到。
[0022]本专利技术的有益效果是：本专利技术提出的小粒径气相分散硅与碳前驱体复合技术，实现了前驱体碳与纳米级甚至亚纳米级的硅的均匀复合，并且通过后续固相或气相碳包覆，实现整个二次颗粒的完整均匀包覆，从而提高硅碳负极材料性能。由于纳米硅与碳的复合是在真空条件下进行，既确保了复合的均匀性，同时又具有纳米级硅碳复合时良好的安全性。
附图说明
[0023]图1为本专利技术小粒径纳米硅碳负极材料的制备流程图；
[0024]图2为本专利技术小粒径纳米硅碳负极材料的表面形貌图(一)；
[0025]图3为本专利技术小粒径纳米硅碳负极材料的表面形貌图(二)；
[0026]图4为本专利技术小粒径纳米硅碳负极材料的表面形貌图(三)。
具体实施方式
[0027]本专利技术一种小粒径纳米硅碳负极材料的制备方法，如图1所示，第一步硅碳复合前驱体膜制备：在柔性基底上通过涂布工艺制备碳前驱体薄膜，之后在薄膜上采用磁控溅射、热蒸发等沉积方式沉积纳米硅，如此交替往复得到一定厚度的硅碳复合前驱体膜，并通过辊压的方式使膜层致密，纳米硅与前驱体碳实现紧密接触；第二步：膜层煅烧成碳：将膜层置于惰性气氛炉中高温煅烧，从而将纳米硅与碳实现固定，确保颗粒具有一定的抗压实性；第三步：将煅烧后的材料粉碎到一定粒度，得到硅碳粉末；第四步：将硅碳粉末通过二次包覆即得到成品硅碳材料。
[0028]具体按照以下步骤实施：
[0029]S1、将碳前驱体材料涂布在柔性基底上并烘干，形成均匀薄膜；
[0030]柔性基底材料为PP、PET、PI、PE、PC、PMMA中的任意一种；
[0031]碳前驱体材料为酚醛树脂、环氧树脂、沥青、葡萄糖中的任意一种；
[0032]S2、将涂有碳前驱体的薄膜置于PVD镀膜设备中，均匀镀一层硅薄膜；
[0033]其中，PVD镀膜可以是磁控溅射镀膜、电阻式热蒸发镀膜、电子束热蒸发镀膜中的任意一种；
[0034]硅薄膜的厚度＜50nm；
[0035]S3、在硅薄膜上继续涂布一层碳前驱体材料并辊压，得到碳前驱体硅复合薄膜；
[0036]S4、重复步骤S2
‑
S3，形成一定厚度的碳前驱体硅复合膜；
[0037]碳前驱体硅复合膜的厚度为100～8000μm；
[0038]S5、将含基底的碳前驱体硅复合膜样品置于惰性气氛煅烧炉中进行煅烧；
[0039]煅烧温度为400～600℃，煅烧时间为1～5h。
[0040]S6、将煅烧后的材料进行粉碎，粉碎到D50＝3～10μm；
[0041]粉碎可以是机械粉碎，也可以是气流粉碎；
[0042]S7、将粉碎后的材料置于CVD炉中进行气相碳包覆，通入乙炔与氮气的混合气体，在500～700℃下保温1～5h；
[0043]混合气体中乙炔与氮气的体积比为0.2～1；
[0044]S8、将CVD包覆后的材料进行筛分除磁，即得到小粒径纳米硅碳负极材料。
[0045]由于单独制备的纳米硅，粒径较大，团聚较为严重，在与碳进行复合时效果较差，进而导致硅碳负极材料性能仍难以达到大规模应用。本专利技术提供的一种小粒径气相分散硅与碳前驱体复合技术，从而实现碳与纳米级甚至亚纳米级硅的均匀复合，并且通过后续气相或固相碳包覆，实现纳米硅的完整均匀包覆，从而提高硅碳负极材料性能。由于纳米硅与碳的复合是在真空条件下同时进行，既确保了复合的均匀性，同时又具有在纳米级复合时良好的安全性，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小粒径纳米硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：S1、将碳前驱体材料涂布在柔性基底上并烘干，形成均匀薄膜；S2、将涂有碳前驱体的薄膜置于PVD镀膜设备中，均匀镀一层硅薄膜；S3、在硅薄膜上继续涂布一层碳前驱体材料并辊压，得到碳前驱体硅复合薄膜；S4、重复步骤S2
‑
S3，形成一定厚度的碳前驱体硅复合膜；S5、将含基底的碳前驱体硅复合膜样品置于惰性气氛煅烧炉中进行煅烧；S6、将煅烧后的材料进行粉碎，粉碎到D50＝3～10μm；S7、将粉碎后的材料置于CVD炉中进行气相碳包覆，通入乙炔与氮气的混合气体，在500～700℃下保温1～5h；S8、将CVD包覆后的材料进行筛分除磁，即得到小粒径纳米硅碳负极材料。2.根据权利要求1所述的一种小粒径纳米硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，柔性基底材料为P...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏立帅，曹新龙，张长安，杨乐，杨静，屈涛，
申请(专利权)人：泾河新城陕煤技术研究院新能源材料有限公司，
类型：发明
国别省市：