用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料及其制备方法和应用。纳米硅碳复合材料包括：多孔碳基体、含过渡金属元素的镀层和纳米硅颗粒；所述多孔碳基体为含有贯穿孔的多孔碳微球，所述镀层覆盖在所述贯穿孔的孔壁上以及所述多孔碳微球的外表面，所述纳米硅颗粒沉积在所述贯穿孔中以及所述多孔碳微球的外表面上，通过所述镀层与所述多孔碳基体物理隔绝，用以避免纳米硅颗粒在沉积的过程中与所述多孔碳基体发生反应生成碳化硅，从而降低了不可逆容量的产生，有利于提高电池的首周效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电池材料
，尤其涉及一种用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]硅基材料在所有研究的负极材料中具有最高的容量，并且被认为是最有前途的锂离子电池负极材料之一。然而，由于充放电过程中巨大的体积变化，要在实际应用中获得良好的性能仍然是一个重大挑战。
[0003]将硅基材料和碳材料结合可以有效缓解上述问题，同时还可以增加硅基材料的导电性。通过化学气相沉积（CVD）法可以将硅基材料均匀分散在碳材料中。然而在该过程中，硅与碳在化学气相沉积的高温条件下易发生反应，生成碳化硅，产生不可逆容量，严重影响硅碳复合材料的电化学活性。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供了一种用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料及其制备方法和应用。该纳米硅碳复合材料中，纳米硅通过含过渡金属元素的镀层与多孔碳基体物理隔绝，从而避免纳米硅颗粒在沉积的过程中与多孔碳基体发生反应生成碳化硅，降低了不可逆容量的产生，有利于提高电池的首周效率。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供了一种用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料，所述纳米硅碳复合材料包括：多孔碳基体、含过渡金属元素的镀层和纳米硅颗粒；所述多孔碳基体为含有贯穿孔的多孔碳微球，所述镀层覆盖在所述贯穿孔的孔壁上以及所述多孔碳微球的外表面，所述纳米硅颗粒沉积在所述贯穿孔中以及所述多孔碳微球的外表面上，通过所述镀层与所述多孔碳基体物理隔绝，用以避免纳米硅颗粒在沉积的过程中与所述多孔碳基体发生反应。
[0006]优选的，所述纳米硅碳复合材料还包括碳壳；所述碳壳包覆在最外层。
[0007]优选的，所述贯穿孔的平均孔径在0.2nm
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55nm之间；所述纳米硅碳复合材料的粒径在1μm
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100μm之间；所述含过渡金属元素的镀层包括：含铝、锌、锰、镍、钛、锡、锗及银中一种或多种元素的镀层；所述镀层占所述纳米硅碳复合材料的总质量的0.1%
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20%；所述纳米硅颗粒的粒径在0.1nm
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50nm之间，所述纳米硅颗粒占所述纳米硅碳复合材料的总质量的1%
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70%；所述碳壳占所述纳米硅碳复合材料的总质量的0
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20%。
[0008]优选的，所述含铝、锌、锰、镍、钛、锡、锗及银中一种或多种元素的镀层具体包括：含铝、锌、锰、镍、钛、锡或锗中一种或多种元素的氧化物的镀层，或者含纳米银的镀层。
[0009]第二方面，本专利技术实施例提供了一种第一方面所述的用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料的制备方法，所述制备方法包括：
制备多孔碳基体；所述多孔碳基体为含有贯穿孔的多孔碳微球；用湿化学方法制备含过渡金属元素的材料，并在制备过程中加入所述多孔碳基体，使得在所述多孔碳基体的贯穿孔的孔壁上以及所述多孔碳微球的外表面形成镀层，得到具有镀层覆盖的多孔碳基体；将所述具有镀层覆盖的多孔碳基体作为基底材料，引入硅源进行气相沉积，从而使得纳米硅颗粒沉积在所述贯穿孔中以及所述多孔碳微球的外表面上，并且所述纳米硅颗粒通过所述镀层与所述多孔碳基体物理隔绝。
[0010]优选的，所述制备多孔碳基体包括：将含碳聚合物进行水热处理，然后洗涤过滤至滤液透明无色，再进行干燥，得到球形碳化前驱体；所述含碳聚合物包括：葡萄糖、蔗糖、聚乙烯吡咯烷酮、淀粉、聚偏氟乙烯、酚醛环氧树脂或聚氯乙烯中的一种或几种；将所述球形碳化前驱体进行碳化处理，并对所述碳化处理的产物进行粉碎与分级，得到粒径在1μm
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100μm的硬碳基体；对所述硬碳基体进行造孔处理，得到所述多孔碳基体；其中，所述碳化处理在回转炉、管式炉、钟罩炉或流化床中进行，碳化处理的温度为700℃～1300℃，保温时间0.5小时～15小时；所述造孔处理采用的气源为氧气、二氧化碳或水蒸气中一种或两种组合，气体流量为0.5L/min～20 L/min，造孔处理的温度为600℃～1000℃，时间为1小时～10小时。
[0011]优选的，在所述引入硅源进行气相沉积之后，所述制备方法还包括：对所述气相沉积的产物进行碳包覆；所述气相沉积包括：以含硅气体作为硅源，以氮气或者氩气中的任一种作为保护气，在回转炉、管式炉、钟罩炉或流化床中进行气相沉积；其中，所述含硅气体包括甲硅烷、丙硅烷、二氯硅烷、三氯硅烷、四氯硅烷中的一种或多种，流速为0.5～50 L/min；所述保护气的流速为1～50 L/min；所述气相沉积的温度为500℃～1500 ℃，时间为1～20小时；或者，在热等离子体设备中，以工业硅粉为原料，通过热等离子体法进行纳米硅颗粒在所述贯穿孔中以及所述多孔碳微球的外表面上的沉积。
[0012]优选的，所述用湿化学方法制备含过渡金属元素的材料，并在制备过程中加入所述多孔碳基体的具体方法包括：所述含过渡金属元素的材料为氧化铝时，通过氨水沉淀法、均匀沉淀法或溶胶凝胶法中的一种制备氧化铝，并在制备过程中加入所述多孔碳基体，经过滤、干燥、煅烧后，得到镀有氧化铝的多孔碳基体；所述含过渡金属元素的材料为氧化锌时，通过酸法或氨法制备氧化锌，并在制备过程中加入所述多孔碳基体，经过滤、干燥、煅烧后，得到镀有氧化锌的多孔碳基体；所述含过渡金属元素的材料为氧化锰时，通过水热法、溶胶凝胶法或化学沉淀法中的一种制备纳米氧化锰，并在制备过程中加入所述多孔碳基体，经过滤、干燥、煅烧后，得到镀有氧化锰的多孔碳基体；所述含过渡金属元素的材料为氧化镍时，通过氨水沉淀法、均匀沉淀法或溶胶凝胶法中的一种制备纳米氧化镍，并在制备过程中加入所述多孔碳基体，经过滤、干燥、煅烧后，得到镀有氧化镍的多孔碳基体；
所述含过渡金属元素的材料为氧化钛时，通过气相水解法、溶胶凝胶法、微乳液法、水热合成法或气相法中的一种制备纳米氧化钛，并在制备过程中加入所述多孔碳基体，经过滤、干燥、煅烧后，得到镀有氧化钛的多孔碳基体；所述含过渡金属元素的材料为氧化锡时，通过溶胶凝胶法、水热合成法或均匀沉淀法中的一种制备纳米氧化锡，并在制备过程中加入所述多孔碳基体，经过滤、干燥、煅烧后，得到镀有氧化锡的多孔碳基体；所述含过渡金属元素的材料为氧化锗时，通过溶胶凝胶法或水热法中的一种制备纳米氧化锗，并在制备过程中加入所述多孔碳基体，经过滤、干燥、煅烧后，得到镀有氧化锗的多孔碳基体；所述含过渡金属元素的材料为纳米银时，通过还原法、水热合成法或沉淀法中的一种制备纳米银，并在制备过程中加入所述多孔碳基体，经过滤、干燥、煅烧后，得到镀有纳米银的多孔碳基体。
[0013]第三方面，本专利技术实施例提供了一种负极材料，包括上述第一方面所述的用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料。
[0014]第四方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池，包括上述第一方面所述的用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料。
[0015]本专利技术实施例提出的用于二次锂离子电池的纳米硅碳复合材料，通过将含过渡金属元素的镀层覆盖在多孔碳的贯穿孔内及外表面上，再将硅进行沉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料，其特征在于，所述纳米硅碳复合材料包括：多孔碳基体、含过渡金属元素的镀层和纳米硅颗粒；所述多孔碳基体为含有贯穿孔的多孔碳微球，所述镀层覆盖在所述贯穿孔的孔壁上以及所述多孔碳微球的外表面，所述纳米硅颗粒沉积在所述贯穿孔中以及所述多孔碳微球的外表面上，通过所述镀层与所述多孔碳基体物理隔绝，用以避免纳米硅颗粒在沉积的过程中与所述多孔碳基体发生反应。2.根据上述权利要求1所述的用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料，其特征在于，所述纳米硅碳复合材料还包括碳壳；所述碳壳包覆在最外层。3.根据上述权利要求1所述的用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料，其特征在于，所述贯穿孔的平均孔径在0.2nm
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55nm之间；所述纳米硅碳复合材料的粒径在1μm
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100μm之间；所述含过渡金属元素的镀层包括：含铝、锌、锰、镍、钛、锡、锗及银中一种或多种元素的镀层；所述镀层占所述纳米硅碳复合材料的总质量的0.1%
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20%；所述纳米硅颗粒的粒径在0.1nm
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50nm之间，所述纳米硅颗粒占所述纳米硅碳复合材料的总质量的1%
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70%；所述碳壳占所述纳米硅碳复合材料的总质量的0
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20%。4.根据上述权利要求3所述的用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料，其特征在于，所述含铝、锌、锰、镍、钛、锡、锗及银中一种或多种元素的镀层具体包括：含铝、锌、锰、镍、钛、锡或锗中一种或多种元素的氧化物的镀层，或者含纳米银的镀层。5.一种上述权利要求1
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4任一所述的用于二次锂电池的纳米硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：制备多孔碳基体；所述多孔碳基体为含有贯穿孔的多孔碳微球；用湿化学方法制备含过渡金属元素的材料，并在制备过程中加入所述多孔碳基体，使得在所述多孔碳基体的贯穿孔的孔壁上以及所述多孔碳微球的外表面形成镀层，得到具有镀层覆盖的多孔碳基体；将所述具有镀层覆盖的多孔碳基体作为基底材料，引入硅源进行气相沉积，从而使得纳米硅颗粒沉积在所述贯穿孔中以及所述多孔碳微球的外表面上，并且所述纳米硅颗粒通过所述镀层与所述多孔碳基体物理隔绝。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备多孔碳基体包括：将含碳聚合物进行水热处理，然后洗涤过滤至滤液透明无色，再进行干燥，得到球形碳化前驱体；所述含碳聚合物包括：葡萄糖、蔗糖、聚乙烯吡咯烷酮、淀粉、聚偏氟乙烯、酚醛环氧树脂或聚氯乙烯中的一种或几种；将所述球形碳化前驱体进行碳化处理，并对所述碳化处理的产物进行粉碎与分级，得到粒径在1μm
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100μm的硬碳基体；对所述硬碳基体进行造孔处理，得到所述多孔碳基体；其中，所述碳化处理在回转炉、管式炉、钟罩炉或流化床中进行，碳化处理的温度为700℃～1300℃，保温时间0.5小时～15小时；所述造孔处理采用的气源为氧气、二氧化碳或水蒸气中...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵金，罗飞，
申请(专利权)人：溧阳天目先导电池材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：