一种高能量密度硅碳/中间相碳微球复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及锂离子电池技术领域，提出了一种高能量密度硅碳/中间相碳微球复合材料的制备方法，包括以下步骤：S1、将碳基材料添加到有机溶剂中分散均匀得到混合液；S2、向混合液中加入羧基化纳米硅、硅烷偶联剂、氧化石墨烯溶液分散均匀后，升温至300

【技术实现步骤摘要】
一种高能量密度硅碳/中间相碳微球复合材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池材料
，具体的，涉及一种高能量密度硅碳/中间相碳微球复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]石墨类负极作为主要的负极材料，应用已经非常广泛，但是石墨类负极材料容量已做到360mAh/g，已经接近372mAh/g的理论克容量，再想提升其空间已很难实现。而硅与碳化学性质相近，硅在常温下可与锂合金化，生成Li
15
Si4相，理论比容量高达3572mAh/g，远高于石墨的理论比容量，而且硅在地壳元素中储量非常丰富，成本低、环境友好，因而硅负极材料一直备受科研人员关注，是最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。
[0003]硅碳材料以其能量密度高，材料来源广泛等优点而成为高能量密度锂离子电池的首选负极材料，但是其存在膨胀大，高温存储差等缺陷限制其材料的应用范围。而中间相碳微球的结构为球状结构，各项同性好，倍率性能好，循环性能优异、膨胀低等优点并应用于高倍率锂离子电池，但是存在能量密度低(330mAh/g，1.3g/cm3)、成本高等缺陷，影响其材料的大范围应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种高能量密度硅碳/中间相碳微球复合材料的制备方法，解决了硅基材料的膨胀及循环性能差的问题。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种高能量密度硅碳/中间相碳微球复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、将碳基材料添加到有机溶剂中分散均匀得到混合液；
[0008]S2、向混合液中加入羧基化纳米硅、硅烷偶联剂、氧化石墨烯溶液分散均匀后，升温至300
‑
500℃聚合反应后过滤干燥得到第一前驱体材料；
[0009]S3、将第一前驱体材料升温至500
‑
800℃，通入氧化性气体和惰性气体的混合气体保温反应，然后在惰性气氛下降温到室温，通过机械挤压、分级得到第二前驱体材料；
[0010]S4、将第二前驱体材料在有机气体和惰性气体的混合气体中进行气相沉积，然后在惰性气氛下降温到室温后粉碎、分级即得。
[0011]作为进一步的技术方案，所述碳基材料包括煤沥青、煤焦油、石油沥青、石油渣油、合成沥青、合成树脂中的一种或多种。
[0012]作为进一步的技术方案，所述有机溶剂包括四氢呋喃、甲醚、乙醚、丁二醇、苯、甲苯、四氯化碳中的一种。
[0013]作为进一步的技术方案，所述碳基材料与有机溶剂的质量比为1:1
‑
10。
[0014]作为进一步的技术方案，所述羧基化纳米硅为将纳米硅进行氧等离子体处理得到。
[0015]作为进一步的技术方案，所述氧等离子体处理时，氧气纯度100％，氧气流量10
‑
50ccm，腔体压力为100
‑
1000mtorr，处理时间为10
‑
90s，功率为100
‑
400W。
[0016]作为进一步的技术方案，所述硅烷偶联剂包括3
‑
氯丙基三乙氧基硅烷、3
‑
氯丙基三甲氧基硅烷、3
‑
溴丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。
[0017]作为进一步的技术方案，所述氧化石墨烯溶液的质量浓度为1％
‑
5％，所述碳基材料、羧基化纳米硅、硅烷偶联剂、氧化石墨烯的质量比为100:1
‑
10:1
‑
5:0.5
‑
2。
[0018]作为进一步的技术方案，所述步骤S2中聚合反应时间为1
‑
3h。
[0019]作为进一步的技术方案，所述步骤S3中氧化性气体包括氯气、氟气、氧气、二氧化氮中的一种或多种，所述氧化性气体与惰性气体的体积比为1:1
‑
10。
[0020]作为进一步的技术方案，所述步骤S4中有机气体包括乙炔、甲烷、天然气、乙烷、乙烯中的一种或多种，所述有机气体与惰性气体的体积比为1:1
‑
10。
[0021]作为进一步的技术方案，所述步骤S3中，通入气体流量为0.1
‑
1L/min，反应时间1
‑
6h。
[0022]作为进一步的技术方案，所述步骤S4中，气相沉积的条件具体为：流量0.1
‑
1L/min，温度800
‑
1100℃，时间1
‑
6h。
[0023]作为进一步的技术方案，所述惰性气体为氩气。
[0024]本专利技术的有益效果为：
[0025]本专利技术中将纳米硅通过聚合反应添加到中间相碳微球前驱体中，使硅与前驱体通过化学键连接，并通过碳化得到硅掺杂中间相碳微球，球状中间相碳微球束缚硅在充放电过程中的膨胀；同时球状中间相碳微球的多维嵌脱通道提升材料倍率及其循环性能。
[0026]利用等离子体对纳米硅进行改性，使其表面富含官能团，然后与中间相碳微球通过化学聚合，形成结构稳定的化合物。通过氧化性气体对材料的内部孔隙及其表面进行缺陷处理，降低副反应，提升循环性能。
附图说明
[0027]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。
[0028]图1为实施例1制备出的硅掺杂中间相碳微球复合材料的SEM图。
具体实施方式
[0029]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都涉及本专利技术保护的范围。
[0030]实施例1
[0031]S1、采用氧等离子体技术，纳米硅为基体，氧气为100％纯氧，氧气流量30ccm，腔体压力为500mtorr，处理时间为60s，功率为200W对纳米硅进行表面改性，得到羧基化纳米硅；
[0032]S2、将100g煤沥青添加到2000mL四氢呋喃中，分散均匀后添加5g羧基化纳米硅、3g 3
‑
氯丙基三乙氧基硅烷、33mL质量浓度为3％氧化石墨烯的溶液，分散均匀后，在400℃下进行聚合反应3h，过滤，80℃真空干燥24h，得到第一前驱体材料；
[0033]S3、将第一前驱体材料转移到管式炉中，升温到650℃，通入氧化性混合气体(氯
气：氩气＝1:5)，时间3h，流量为0.5L/min，对其材料的内部孔隙及其表面改性，之后在氩气惰性气氛下降温到室温，通过机械挤压，分级得到第二前驱体材料；
[0034]S4、将第二前驱体材料转移到管式炉中，并在有机混合气体下(甲烷：氩气＝1:5)，流量为0.5L/min，升温到950℃进行气相沉积3h，之后在氩气氛围下降温到室温，粉碎、分级得到含有纳米硅/石墨烯的中间相碳微球复合材料(简称：硅掺杂中间相碳微球复合材料)。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高能量密度硅碳/中间相碳微球复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将碳基材料添加到有机溶剂中分散均匀得到混合液；S2、向混合液中加入羧基化纳米硅、硅烷偶联剂、氧化石墨烯溶液分散均匀后，升温至300
‑
500℃聚合反应后过滤干燥得到第一前驱体材料；S3、将第一前驱体材料升温至500
‑
800℃，通入氧化性气体和惰性气体的混合气体保温反应，然后在惰性气氛下降温到室温，通过机械挤压、分级得到第二前驱体材料；S4、将第二前驱体材料在有机气体和惰性气体的混合气体中进行气相沉积，然后在惰性气氛下降温到室温后粉碎、分级即得。2.根据权利要求1所述的高能量密度硅碳/中间相碳微球复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳基材料包括煤沥青、煤焦油、石油沥青、石油渣油、合成沥青、合成树脂中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的高能量密度硅碳/中间相碳微球复合材料的制备方法，其特征在于，所述羧基化纳米硅为将纳米硅进行氧等离子体处理得到。4.根据权利要求3所述的高能量密度硅碳/中间相碳微球复合材料的制备方法，其特征在于，所述氧等离子体处理时，氧气纯度100％，氧气流量10
‑
50ccm，腔体压力为100
‑
1000mtorr，处理时间为10
‑
90s，功率为100
‑
400W。5.根据权利要求1所述的高能量密度硅碳/中间相碳微球复合材料的制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂包括3
‑
氯丙基三乙氧基硅烷、3

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志涛，陈佐川，李四新，高永静，刘格军，
申请(专利权)人：四川坤天新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：