一种硅碳复合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硅碳复合材料及其制备方法和应用，硅碳复合材料至少包括作为内核的硅基颗粒以及作为外壳的包覆层；其中，包覆层包括包覆在硅基颗粒外表面的快离子导电层以及包覆在快离子导电层外表面的电子导电层，硅基颗粒、快离子导电层和电子导电层之间的质量比为100:1

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池制备领域，具体涉及一种硅碳复合材料，本专利技术还涉及了采用该硅碳复合材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]硅碳材料以其能量密度高，材料来源广泛而成为高能量密度锂离子电池的首选负极材料，但是其材料自身膨胀大、电子导电率差等缺陷使其材料的满电膨胀及其循环性能偏差，限制其广泛应用。而降低其材料膨胀及其提升材料的电子导电率的措施之一是进行材料的表面包覆及其掺杂，目前的掺杂物质主要是镁、铝等金属单质及其包覆的无定形碳等材料改善上述缺陷，但是存在采用单一的包覆存在包覆完整度差及其电子导电率改善不明显等缺陷。
[0003]基于以上现状，本申请人基于专利技术人同时具有在硅基材料以及锂离子电池领域的多年专注研究经验，决定寻求技术方案来对解决以上技术问题。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，显著提升了硅基材料的包覆完整度，同时明显提升了其应用电池的功率和循环性能表现。
[0005]本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]一种硅碳复合材料，至少包括作为内核的硅基颗粒以及作为外壳的包覆层；其中，所述包覆层包括包覆在所述硅基颗粒外表面的快离子导电层以及包覆在快离子导电层外表面的电子导电层，所述硅基颗粒、快离子导电层和电子导电层之间的质量比为100:1
‑
8:1
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8。
[0007]优选地，所述快离子导电层通过原子气相沉积法实现对硅基颗粒外表面的包覆；和/或，所述电子导电层的材料采用含有硼和/或碳纤维的无定形碳。
[0008]优选地，所述硅基颗粒包括Si/SiOx复合基体，其中，0＜X＜2，且所述Si/SiOx复合基体中的Si与SiO
X
之间的质量比为10：1
‑
10；和/或，所述快离子导电层的材料包括LiTi2(PO4)3和/或Li3V2(PO4)3和/或Li3Zr2(PO4)3和/或Li3Sr2(PO4)3和/或Li3Fe2(PO4)3和/或L i3Ti2(PO4)3。
[0009]优选地，所述硼在所述电子导电层中的质量占比为1
‑
10％，所述碳纤维在所述电子导电层中的质量占比为1
‑
10％，其余为无定形碳。
[0010]优选地，一种如上所述硅碳复合材料的制备方法，包括如下操作步骤：
[0011]S10)、以纳米Si和SiO2颗粒作为原料，将两者混合均匀后，在加热环境下使得至少部分原料发生歧化反应，经冷凝、破碎后得到Si/SiOx复合基体，将所述Si/SiOx复合基体作为所述硅基颗粒；
[0012]S20)、通过原子气相沉积法将作为靶材的快离子导体沉积包覆在所述硅基颗粒上，得到包覆有快离子导电层的硅基颗粒；
[0013]S30)、将包覆有快离子导电层的硅基颗粒分散混合在预包覆液中，干燥后通过气相沉积进行碳化，在所述快离子导电层的外表面包覆成型得到电子导电层；
[0014]S40)、得到所述硅碳复合材料。
[0015]优选地，所述步骤S30)中的预包覆液包括碳纤维、硼烷化合物以及水溶性酚醛树脂有机溶剂溶液，其中，碳纤维、硼烷化合物、水溶性酚醛树脂和硅基颗粒之间的质量比为1
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8:1
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8:8
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15：100；在所述干燥后通过气相沉积进行碳化中，将温度范围设置在700
‑
1100℃进行碳化至少1小时。
[0016]优选地，所述硼烷化合物包括乙硼烷和/或丁硼烷和/或戊硼烷和/或己硼烷；所述有机溶剂包括乙二醇和/或乙醇和/或丁二醇和/或苯甲醇和/或苯戊醇和/或烯丙醇。
[0017]优选地，在所述步骤S10)中，所述纳米Si和SiO2颗粒的质量占比为1
‑
2:1；在所述加热环境中，将温度范围设置在1500
‑
2000℃，在该温度条件下保温至少1小时，同时将真空度范围设置在100
‑
1000pa。
[0018]优选地，在所述步骤S20)的原子气相沉积法中，将温度范围设置在800
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1200℃，将压力范围设置在0.1
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0.5Torr，使得所述快离子导体被气化后沉积包覆在所述硅基颗粒上。
[0019]优选地，一种如上所述硅碳复合材料的应用，将所述硅碳复合材料作为制备电池极片的活性物质原料。
[0020]需要说明的是，本申请涉及的纳米Si是指其直径小于20纳米的晶体硅颗粒，可以直接从市场上购买得到。
[0021]本专利技术提出了由质量比为100:1
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8:1
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8的硅基颗粒、快离子导电层以及电子导电层组成的核壳包覆型硅碳复合材料，显著提升了硅基材料的包覆完整度，同时明显提升了其应用电池的功率和循环性能表现。
[0022]本专利技术还进一步优选提出通过原子气相沉积法在内核Si/SiOx复合基体上沉积包覆快离子导体用以形成快离子导电层，避免采用常规的固相包覆法，本专利技术具有致密度高、阻抗低且均匀性好等优点，在应用时，可以有效提升电池的首次效率，且降低了满电膨胀，同时还有效利用了快离子导体材料自身的离子导电率的特性，提升其材料充放电过程中的扩散能力。
[0023]本专利技术还进一步优选提出含有硼和碳纤维的电子导电层方案，在实际应用时，不仅利用碳纤维的纤维结构束缚电池充放电过程中硅的膨胀，同时硼具有高电子导电率的特性，可以明显降低阻抗，使其在作为硅碳复合材料的包覆外层形成电子导电率高的网状结构降低其膨胀提升其功率性能。
[0024]本专利技术还进一步优选提出采用气相沉积法进行碳化沉积含有硼和碳纤维的无定形碳，避免采用常规的液相包覆方式，本专利技术具有均匀性好、致密度高、过程可控，避免内核直接与电解液接触提升首次效率，并改善循环及其提升功率性能。
附图说明
[0025]图1是本专利技术实施例1中硅碳复合材料的SEM图。
具体实施方式
[0026]本实施例公开了一种硅碳复合材料，至少包括作为内核的硅基颗粒以及作为外壳
的包覆层；其中，包覆层包括包覆在硅基颗粒外表面的快离子导电层以及包覆在快离子导电层外表面的电子导电层，硅基颗粒、快离子导电层和电子导电层之间的质量比为100:1
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8:1
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8，更优选地，硅基颗粒、快离子导电层和电子导电层之间的质量比为100:1
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6:1
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6，进一步优选地，硅基颗粒、快离子导电层和电子导电层之间的质量比为100:1
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5:1
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5。
[0027]优选地，在本实施方式中，快离子导电层通过原子气相沉积法实现对硅基颗粒外表面的包覆；和/或，电子导电层的材料采用含有硼和/或碳纤维的无定形碳；进一步优选地，在本实施方式中，硅基颗粒包括Si/S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料，其特征在于，至少包括作为内核的硅基颗粒以及作为外壳的包覆层；其中，所述包覆层包括包覆在所述硅基颗粒外表面的快离子导电层以及包覆在快离子导电层外表面的电子导电层，所述硅基颗粒、快离子导电层和电子导电层之间的质量比为100:1
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8:1
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8。2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述快离子导电层通过原子气相沉积法实现对硅基颗粒外表面的包覆；和/或，所述电子导电层的材料采用含有硼和/或碳纤维的无定形碳。3.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅基颗粒包括Si/SiOx复合基体，其中，0＜X＜2，且所述Si/SiOx复合基体中的Si与SiO
X
之间的质量比为10：1
‑
10；和/或，所述快离子导电层的材料包括LiTi2(PO4)3和/或Li3V2(PO4)3和/或Li3Zr2(PO4)3和/或Li3Sr2(PO4)3和/或Li3Fe2(PO4)3和/或Li3Ti2(PO4)3。4.根据权利要求2所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硼在所述电子导电层中的质量占比为1
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10％，所述碳纤维在所述电子导电层中的质量占比为1
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10％，其余为无定形碳。5.一种根据权利要求1
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4之一所述硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：S10)、以纳米Si和SiO2颗粒作为原料，将两者混合均匀后，在加热环境下使得至少部分原料发生歧化反应，经冷凝、破碎后得到Si/SiOx复合基体，将所述Si/SiOx复合基体作为所述硅基颗粒；S20)、通过原子气相沉积法将作为靶材的快离子导体沉积包覆在所述硅基颗粒上，得到包覆有快离子导电层...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁伟涛，刘登华，邢显博，陈英楠，杨明，
申请(专利权)人：胜华新材料科技眉山有限公司山东石大胜华化工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：