一种硅碳复合材料、电池负极及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种硅碳复合材料、电池负极及制备方法。该复合材料的制备方法包括：将硅、金属

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合材料、电池负极及制备方法


[0001]本专利技术涉及电池领域，尤其涉及一种硅碳复合材料、电池负极及制备方法。

技术介绍

[0002]进入21世纪以来，新能源汽车以及3C电子产品的需求陡增，因此市场对电池需求极大。锂离子电池因其工作电压高、无记忆效应、自放电小和绿色环保安全无毒等优异性能已在消费电子产品、新能源汽车、电动二轮车等领域得到了广泛应用。然而电芯能量密度过低制约着行业的发展，因此提升锂离子电池能量密度迫在眉睫。
[0003]开发新型负极材料是提高电池能量密度的重要途经。目前商业化的锂离子电池负极材料使用的是石墨材料。石墨材料有工作电压稳定，循环体积膨胀较小，可循环圈数高等优点，但是其理论容量较低仅为372mAh/g，已成为制约锂离子电池能量密度进一步提高的关键因素之一。而硅基负极材料，因其理论容量是石墨负极的5
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10倍，被广泛认为是下一代负极材料。
[0004]然而限制硅基负极材料商业化的三个问题是：第一，循环体积膨胀严重约为300％，是石墨负极膨胀率的20倍，体积膨胀过程中会造成硅本身的破碎或粉化，其次膨胀过程中周围的材料会受到挤压和收缩，容易与集流体失去电接触，进而容量下降。第二，硅基材料导电性能差，硅的本征电导率较小(2.52
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10
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4/(米欧姆))，导致电池内阻高，进一步影响循环寿命。同时，也会制约锂离子的迁移，导致材料的倍率性能下降。第三，硅基负极材料首次库伦效率过低，使得循环/倍率性能进一步恶化。
专利
技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种硅碳复合材料，可实现均匀碳包覆和预金属化。
[0006]本专利技术提供了一种硅碳复合材料的制备方法，包括：
[0007]将硅、金属
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碳源及水混合进行水热反应，得到第一复合材料；
[0008]将所述第一复合材料与碳源混合，得到第二复合材料；
[0009]将所述第二复合材料进行造粒及烧结，得到所述硅碳复合材料。
[0010]进一步地，所述硅、金属
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碳源及碳源的质量比为1
‑
5:5
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20:1
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10。2、进一步地，所述金属
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碳源为葡萄糖酸镁、葡萄糖酸铜、葡萄糖酸锌、葡萄糖酸亚铁、葡萄糖酸钠、葡萄糖酸钾、葡萄糖酸钙、葡萄糖酸镍、葡萄糖酸锰、葡萄糖酸钴、葡萄糖酸铬、硬脂酸铝、硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸锌、柠檬酸镁或柠檬酸锂中的至少一种；
[0011]和/或所述所述碳源为葡萄糖溶液、PVP、淀粉或蔗糖溶液中的至少一种。
[0012]进一步地，所述水热反应的条件为：温度170
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260℃，时间为6
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12h；
[0013]优选地，所述温度为170
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220℃。
[0014]进一步地，所述烧结的条件为：温度700
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1000℃，升温速率1
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10℃/min，烧结时间为2
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8h。
[0015]进一步地，所述硅的粒径为50nm
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2μm。
[0016]还提供一种硅碳复合材料，包括：硅、金属元素层及包覆在所述所硅外侧的碳层。
[0017]进一步地，所述金属元素为镁、铜、锌、亚铁、钠、钾、钙、镍、锰、钴、铬、铝及锂中的至少一种。
[0018]进一步地，所述碳层的包覆厚度为100
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500nm。
[0019]还提供一种电池负极材料，包括上述硅碳复合材料。
[0020]本专利的有益效果如下：
[0021]第一，碳
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金属源同时提供碳源和金属源，工艺实现简单，重复性高；第二，实现了碳包覆和预镁/铜/钾/钠/钙/锰等金属化功能，大幅解决了首效低，导电性差的问题；第三，水热法得到碳包覆是多孔结构为硅体积膨胀预留了空间；第四，通过碳
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金属源引入金属镁、金属锰、金属铜、金属锌、金属镍、金属铁、金属铬、金属钴等金属源，经水热反应时间，浓度和硅粒径调控可制备出不同形状结构的纳米金属粒子，金属片段和金属线，其完美解决了硅基导电性差且提高了循环稳定性。
[0022]本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0023]附图用来提供对本专利技术技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本专利技术的技术方案，并不构成对本专利技术技术方案的限制。
[0024]图1是本专利技术一实施例产品制备的示意图；
[0025]图2
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4是本专利技术实施例1产品的SEM图；
[0026]图5是本专利技术实施例1产品的能谱图。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例的附图，对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]本专利技术实施例提供一种硅碳复合材料的制备方法，包括：将硅、金属
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碳源及水混合进行水热反应，得到第一复合材料；将所述第一复合材料与碳源混合，得到第二复合材料；将所述第二复合材料进行造粒及烧结，得到所述硅碳复合材料。
[0029]本申请仅使用使用金属
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碳源一种物质便可提供碳源和金属源，水热反应过程中金属
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碳源会产生大量羧基，羧基与硅表面的羟基脱水缩合从而形成稳定的络合物；同时水热过程会形成含有少量官能团的碳单质，将金属
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碳源中的金属离子还原后在硅表面原位生长沉积得到非常均匀的纳米金属掺杂硅微球。
[0030]掺杂进入的金属元素可以大大改善导电性能，如掺杂的镁可以很好的发挥补镁作用，提高首效；掺杂的铜，铁，钴，镍，锌等导电性好，内阻减小在多轮循环后仍有较高容量保持率；掺杂的钾由于钾也会参与到电池反应带来体积膨胀但会增强导电，循环性能部分提
升；亚铁掺杂因铁对负极自放电和充放电过程中消耗锂但可提升导电性，环性能略有提升；镍、猛或铬掺杂由于金属导电性较好，因此循环性能有所提升；钴中掺杂在高温后被还原成单质被包覆在碳壳中，Co单质具有较好的导电性和电催化性能，有助于加速锂离子的传输；另外双掺杂镁和铜或锌中的铜或锌可以充当导电剂，提高了其导电性能，镁离子提高首效，进而改善循环性能。
[0031]水热法制备的碳包覆微球是多孔结构，为硅在充放电的体积膨胀预留了一定的空间，很好的解决了硅的体积膨胀和导电性差的问题。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的制备方法，其特征在于，包括：将硅、金属
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碳源及水混合进行水热反应，得到第一复合材料；将所述第一复合材料与碳源混合，得到第二复合材料；将所述第二复合材料进行造粒及烧结，得到所述硅碳复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅、金属
‑
碳源及碳源的质量比为1
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5:5
‑
20:1
‑
10。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属
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碳源为葡萄糖酸镁、葡萄糖酸铜、葡萄糖酸锌、葡萄糖酸亚铁、葡萄糖酸钠、葡萄糖酸钾、葡萄糖酸钙、葡萄糖酸镍、葡萄糖酸锰、葡萄糖酸钴、葡萄糖酸铬、硬脂酸铝、硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸锌、柠檬酸镁或柠檬酸锂中的至少一种；和/或所述所述碳源为葡萄糖溶液、PVP、淀粉或蔗糖溶液中的至少一种。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的条件为：温度170
...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭元忠，方梦珠，沈康，陈宝，彭思遥，李策，耿铭涛，张磊，
申请(专利权)人：浙江新安化工集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：