一种低膨胀硅碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及锂离子电池材料制备技术领域，提出了一种低膨胀硅碳复合材料及其制备方法，所述复合材料为核壳结构，内核包括纳米硅、碳基体、金属掺杂剂，外壳由掺杂氮的无定形碳组成，外壳的质量为复合材料质量的1％

【技术实现步骤摘要】
一种低膨胀硅碳复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池材料制备
，具体的，涉及一种低膨胀硅碳复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]硅碳材料以其能量密度高、材料来源广泛等优点被应用于高能量密度锂离子电池，但是由于硅自身的电子导电率差及其满电膨胀较大，造成其材料的低温性能偏差及其循环性能偏差。除此之外，硅材料体积变化产生的巨大应力还容易导致活性物质和导电剂的脱离，极大地损害了电极内部的电子传输路径，甚至会引发电极涂层从集流体剥离，造成电池容量的持续下降直至电池完全损坏。
[0003]硅负极的另一个缺点是硅材料本身的电子电导率低，约为10
‑3S
·
cm
‑1左右，并且锂离子在硅负极中的移动速率较低。而提升硅基材料的电子导电率主要通过掺杂提升电子导电率，并通过降低硅的粒径来降低膨胀。目前的硅掺杂技术主要通过固相法/液相法进行掺杂，其存在一致性差，容易团聚等问题，造成膨胀并未改善，是技术人员难以克服的技术难题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种低膨胀硅碳复合材料及其制备方法，解决了现有技术中的硅碳材料膨胀大、阻抗大的问题。
[0005]本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种低膨胀硅碳复合材料，为核壳结构，内核包括纳米硅、碳基体、金属掺杂剂，外壳由掺杂氮的无定形碳组成，外壳的质量为复合材料质量的1％
‑
10％。
[0007]作为进一步的技术方案，所述内核由10％
‑/>50％纳米硅，1％
‑
10％稀土金属掺杂剂，及余量的碳基体组成。
[0008]本专利技术还提出一种低膨胀硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、以石墨纸基体为基体，硅烷为靶材，通入含有氧气气体，进行等离子处理，得到硅掺杂石墨纸复合材料；
[0010]S2、以所述硅掺杂石墨纸复合材料为基体，稀土金属掺杂剂为靶材，通入含有氧气气体，进行等离子处理，得到硅
‑
稀土共掺杂石墨纸复合材料；
[0011]S3、将所述硅
‑
稀土共掺杂石墨纸复合材料在混合气体中煅烧，所述混合气体为碳源和氨源的混合气体；
[0012]S4、降温、后处理得到所述低膨胀硅碳复合材料。
[0013]作为进一步的技术方案，所述步骤S1和S2中，等离子处理的参数均为：频率为1
‑
5MHz，功率为50
‑
200W，处理时间10
‑
120min。
[0014]作为进一步的技术方案，所述步骤S1中，硅烷包括甲基硅烷、二甲基硅烷、乙炔基三甲基甲硅烷、六甲基二硅烷的一种或几种。
[0015]作为进一步的技术方案，所述步骤S2中，稀土金属掺杂剂包括铈、镧、铕、钕、钇的氯化物、硫酸物、硝酸物中的一种或多种。
[0016]作为进一步的技术方案，所述步骤S3中，氮源和碳源的体积比为1:10。
[0017]作为进一步的技术方案，所述步骤S3中碳源包括甲烷、乙炔、乙烯、乙烷中的一种或多种。
[0018]作为进一步的技术方案，所述步骤S3中，氮源包括氨气、氨水、碳酸氢铵、碳酸铵中的一种。
[0019]作为进一步的技术方案，所述步骤S4中，煅烧具体为：升温速率为1
‑
10℃/min升温到700
‑
1100℃保温10
‑
120min。
[0020]本专利技术还提出一种负极，包括所述的制备方法制得的低膨胀硅碳复合材料。
[0021]本专利技术的有益效果为：
[0022]1、本专利技术中以石墨纸为基体，通过氧等离子体在表面及内部沉积纳米硅，能够实现在充放电过程中束缚硅的膨胀的作用，通过氧等离子体处理技术，能够避免固相或液相掺杂时造成的一致性差、团聚的问题。另外，本专利技术的等离子体技术以石墨纸为基体，石墨纸电子导电性高，柔韧性强，也能降低硅自身的满电膨胀和阻抗。
[0023]2、本专利技术中还利用稀土元素掺杂并使其包覆在硅掺杂石墨纸复合材料的表面，经过稀土元素包覆，不直接与电解液接触，降低了纳米硅的副反应的发生，进一步提高循环性能。
[0024]3、经过包覆的纳米硅的表面在进一步的经过碳、氮的沉积，一方面能够束缚充放电过程中极片的膨胀，另一方面，氮比碳具有更低的电子阻抗，降低复合材料的阻抗，并隔离电解液降低副反应，提升存储和循环性能。
附图说明
[0025]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。
[0026]图1为实施例1制备出低膨胀硅碳复合材料的SEM图。
具体实施方式
[0027]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。
[0028]实施例1
[0029]S1、以石墨纸基体为基体，甲基硅烷为靶材，通入氧气(流量50mL/min),在频率为2MHz，功率为100W条件下进行等离子处理60min，得到硅掺杂石墨纸复合材料；
[0030]S2、以所述硅掺杂石墨纸复合材料为基体，氯化铈为靶材，通入氧气，在频率为2MHz，功率为100W条件下进行等离子处理60min，得到硅
‑
稀土共掺杂石墨纸复合材料；
[0031]S3、将所述硅
‑
稀土共掺杂石墨纸复合材料转移到管式炉中，首先通入氩气惰性气体排除管内空气，之后通入碳氮混合气(氨气：甲烷＝1：10)，流量10mL/min，并以升温速率为5℃/min升温到950℃保温60min，之后在氩气惰性气氛下降温到室温，粉碎得到低膨胀硅
碳复合材料。
[0032]实施例2
[0033]S1、以石墨纸基体为基体，二甲基硅烷为靶材，通入氧气(流量50mL/min)，在频率为1MHz，功率为50W条件下进行等离子处理120min，得到硅掺杂石墨纸复合材料；
[0034]S2、以所述硅掺杂石墨纸复合材料为基体，硫酸镧为靶材，通入氧气，在频率为1MHz，功率为50W条件下进行等离子处理120min，得到硅
‑
稀土共掺杂石墨纸复合材料；
[0035]S3、将所述硅
‑
稀土共掺杂石墨纸复合材料转移到管式炉中，首先通入氩气惰性气体排除管内空气，之后通入碳氮混合气(氨气：乙炔＝1：10)，流量10mL/min，并以1℃/min升温到700℃保温120min，之后在氩气惰性气氛下降温到室温，粉碎得到低膨胀硅碳复合材料。
[0036]实施例3
[0037]S1、以石墨纸基体为基体，六甲基二硅烷为靶材，通入氧气(流量50mL/min)，在频率为5MHz，功率为200W条件下进行等离子处理10min，得到硅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低膨胀硅碳复合材料，其特征在于，所述复合材料为核壳结构，内核包括纳米硅、碳基体、金属掺杂剂，外壳由掺杂氮的无定形碳组成，外壳的质量为复合材料质量的1％
‑
10％。2.根据权利要求1所述的低膨胀硅碳复合材料，其特征在于，所述内核由10％
‑
50％纳米硅、1％
‑
10％稀土金属掺杂剂及余量的碳基体组成。3.如权利要求1或2所述的低膨胀硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以石墨纸基体为基体，硅烷为靶材，通入含有氧气气体，进行等离子处理，得到硅掺杂石墨纸复合材料；S2、以所述硅掺杂石墨纸复合材料为基体，稀土金属掺杂剂为靶材，通入含有氧气气体，进行等离子处理，得到硅
‑
稀土共掺杂石墨纸复合材料；S3、将所述硅
‑
稀土共掺杂石墨纸复合材料在混合气体中煅烧，所述混合气体为碳源和氨源的混合气体；S4、降温、后处理得到所述低膨胀硅碳复合材料。4.根据权利要求3所述的低膨胀硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1和S2中，等离子处理的参数均为：频率为1
‑
5MHz，功...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋志涛，陈佐川，陈飞，宋会英，高永静，
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：