硅碳复合负极材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种硅碳复合负极材料的制备方法及其应用，将超交联聚合物置于惰性气氛下加热碳化，得到多孔碳化物，将多孔碳化物与含硅溶液混合，得到含硅多孔碳化物悬浊液，向含硅多孔碳化物悬浊液中加入络合剂、金属盐和还原剂进行反应，反应结束后固液分离，所得固体在惰性气氛下加热，即得硅碳复合负极材料。本发明专利技术通过硅嵌金属处理，在络合剂作用下用还原剂对金属盐进行还原，使得吸附在多孔碳化物上的硅层得到一层金属层，在高温下再将金属层与硅合金化，使材料的伸展、弯曲、压缩性能得到提升，金属层能有效承载的硅的膨胀带来的体积变化的应力，材料的电导率也得到提升。材料的电导率也得到提升。材料的电导率也得到提升。

【技术实现步骤摘要】
硅碳复合负极材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种硅碳复合负极材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]硅基负极材料由于具有丰富的来源、低成本、高储锂理论容量、合适的脱锂电压，是一种极具商业化应用前景的负极材料。但与石墨不同的是，硅在脱/嵌锂过程中会反复收缩膨胀，容易导致负极片失去电接触，造成负极片上材料失活，这可能极大地降低硅基负极材料的应用前景。此外，因为其比表面积更大以及产生的大量的缺陷严重的副反应，实际应用中也面临着首周库伦效率低、长循环稳定性不足以及倍率性能较差等问题。
[0003]目前，通过硅基负极材料与碳材料结合，调控两者间的形态设计，合成稳定性良好的结构，其得到硅
‑
碳负极材料的效果就是能提高锂离子的扩散并增加电子的传输速度，来提升循环稳定性，是解决硅负极材料缺陷的有效手段。
[0004]例如，多孔碳材料除了具有普通碳材料的性质，同时，丰富孔结构的引入提供硅可膨胀的空间，具有高比表面积、高接触面积、多孔结构可控和易修饰等优点。因此，如何优化多孔碳材料的结构以及与硅基负极材料结合来提升硅
‑
碳负极材料的性能仍然是当前面临的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术提出一种硅碳复合负极材料的制备方法及其应用。
[0006]根据本专利技术的一个方面，提出了一种硅碳复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1：将超交联聚合物置于惰性气氛下加热碳化，得到多孔碳化物；
[0008]S2：将所述多孔碳化物与含硅溶液混合，得到含硅多孔碳化物悬浊液；
[0009]S3：向所述含硅多孔碳化物悬浊液中加入络合剂、金属盐和还原剂进行反应，反应结束后固液分离，所得固体在惰性气氛下加热，即得所述硅碳复合负极材料。
[0010]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，所述超交联聚合物的制备如下：在惰性气氛下，将苯二醇类化合物、溶剂和交联剂混合，冷却，再加入催化剂混合，所得混合物进行加热反应，得到所述超交联聚合物。优选的，所述苯二醇类化合物为对苯二甲醇、间苯二甲醇、邻苯二甲醇、对苯二乙醇、间苯二乙醇或邻苯二乙醇中的至少一种。所述溶剂为四氯甲烷、三氯甲烷、氯乙烷、二氯乙烷、三氯乙烷、氯丙烷、二氯丙烷、三氯丙烷或四氯丙烷中的至少一种。所述交联剂为二甲醇缩甲醛。所述催化剂为氯化铁。
[0011]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，所述苯二醇类化合物、溶剂、催化剂和交联剂的用量配比为(5
‑
10)g：(15
‑
80)mL：(1.2
‑
6)g：(1
‑
5)mL。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，所述冷却的温度为0
‑
12℃。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，所述苯二醇类化合物、溶剂和交联剂混合的时间为2
‑
4h，加入所述催化剂混合的时间为6
‑
12h。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，所述混合物加热反应的温度为60
‑
120℃，时间为1h
‑
3h。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，所述的加热碳化的过程为：先在100
‑
320℃下加热0.1h
‑
3h，再在600
‑
1000℃下加热8h
‑
24h，加热碳化期间通入惰性气体，在气流作用下进行扩孔处理。进一步地，惰性气体的气流流速为0.005
‑
0.08m3/min。
[0016]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，所述多孔碳化物的粒径D50为2
‑
26μm，比表面积为200
‑
350m2/g。
[0017]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中，所述含硅溶液为纳米氧化硅悬浮液或纳米硅悬浮液，所述含硅溶液中硅的质量百分数为0.001
‑
0.75。所述纳米氧化硅的化学式为SiO
x
，0<x≤2。
[0018]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，所述络合剂为酒石酸钾钠、乙二胺四乙酸、酒石酸中的至少一种。。
[0019]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，所述金属盐为铜或银的可溶性硫酸盐、氯化盐、硝酸盐、溴化盐或磷酸盐中的至少一种；所述还原剂为次磷酸、次磷酸钠中的至少一种。
[0020]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，所述加热的温度为550
‑
1100℃，加热的时间为1
‑
5h。
[0021]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，所述硅碳复合负极材料的粒径D50为0.5
‑
23μm。
[0022]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，所述硅碳复合负极材料中硅的质量百分数为0.001
‑
0.35。
[0023]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，所述硅碳复合负极材料中金属的质量百分数为0.001
‑
0.02。
[0024]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，所述含硅多孔碳化物悬浊液中加入络合剂、金属盐和还原剂的质量比为(1
‑
10)：(0.2
‑
5)：(10
‑
50)，其中金属盐与含硅多孔碳化物悬浊液中硅的质量比为(0.1
‑
2):3。
[0025]在本专利技术的一些实施方式中，所述惰性气氛为氖气、氦气、氩气、氪气、氙气或氮气中的至少一种。
[0026]本专利技术还提供所述的制备方法在制备锂离子电池中的应用。
[0027]根据本专利技术的一种优选的实施方式，至少具有以下有益效果：
[0028]1、超交联聚合物经过高温碳化处理，得到的多孔碳化物结构，其碳层能够为电子和Li
+
的传输提供更多的通道，提供较多的内部多余空间，为硅的体积膨胀提供较大的缓冲空间，一定程度上缓冲硅基负极材料在脱嵌锂过程中的体积效应，改善负极材料的循环性能。
[0029]2、由于硅为半导体材料，其导电性欠佳，并且循环充放电中硅的膨胀效应也使得负极材料的结构进一步恶化。因此通过硅嵌金属处理，在络合剂作用下用还原剂对金属盐进行还原，使得吸附在多孔碳化物上的硅层得到一层延展性、导电性良好的金属层，在高温
下再将金属层与硅合金化，合金化硅结合更紧密。制备得到的硅碳复合负极材料的伸展、弯曲、压缩性能将得到提升，金属层能有效承载的硅的膨胀带来的体积变化的应力，材料的电导率提升。
附图说明
[0030]下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步的说明，其中：
[0031]图1为本专利技术实施例1的硅碳复合负极材料表面S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将超交联聚合物置于惰性气氛下加热碳化，得到多孔碳化物；S2：将所述多孔碳化物与含硅溶液混合，得到含硅多孔碳化物悬浊液；S3：向所述含硅多孔碳化物悬浊液中加入络合剂、金属盐和还原剂进行反应，反应结束后固液分离，所得固体在惰性气氛下加热，即得所述硅碳复合负极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述超交联聚合物的制备如下：在惰性气氛下，将苯二醇类化合物、溶剂和交联剂混合，冷却，再加入催化剂混合，所得混合物进行加热反应，得到所述超交联聚合物。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述的加热碳化的过程为：先在100
‑
320℃下加热0.1h
‑
3h，再在600
‑
1000℃下加热8h
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24h，加热碳化期间通入惰性气体，在气流作用下进行扩孔处理。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述多孔碳化物的粒径D50为2
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：冯茂华，李长东，吴星宇，阮丁山，刘宝烨，
申请(专利权)人：湖南邦普循环科技有限公司湖南邦普汽车循环有限公司，
类型：发明
国别省市：