一种用于二次锂电池的新型复合材料及制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种用于二次锂电池的新型复合材料及制备方法和应用。所述新型复合材料包括：所述新型复合材料包括：纳米硅和碳原子，并且所述碳原子以原子级别均匀分布在纳米硅中；碳原子与硅原子结合形成无定型的Si

【技术实现步骤摘要】
一种用于二次锂电池的新型复合材料及制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种用于二次锂电池的新型复合材料及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近几年来，随着电子技术和信息产业的蓬勃发展，锂离子电池的发展前景越来越广阔，已广泛应用于手机、笔记本电脑、数码相机等便携式设备。为了满足电动汽车和大型储能装置对循环寿命长、能量密度高、倍率性能优良的锂离子电池日益增长的需求，许多研究人员致力于探索低成本、高质量的电极材料。
[0003]在众多新型负极材料的候选者中，硅由于其优异的理论比容量(4200mAh
·
g
‑1)而引起了人们的广泛关注。然而，硅在锂化过程中会发生巨大的体积膨胀，进而导致结构的破坏和不稳定的固体电解质界面(SEI)膜。此外，硅的本征电子电导率差，显著阻碍了硅的电化学性能，上述问题极大地阻碍了硅基负极的实际应用。
[0004]将硅纳米颗粒封装在碳材料中制备C/Si复合材料已成为最有效的方法之一，因为它不仅可以减轻Si的体积膨胀，而且还结合了Si(高容量)和碳(良好的导电性和循环稳定性)的优点。然而，由于纳米材料较大的比表面能，它们易于团聚并且难以实现在碳基体中均匀的分散，从而导致电化学性能提升效果不佳。CN 106299277A中公开了一种锂离子电池硅碳复合负极材料，但由于其利用的是机械混合，硅和碳材料混合程度无法达到预期效果，导致循环性能依旧没有得到很大提升。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供了一种用于二次锂电池的新型复合材料及制备方法和应用。通过硅源和碳源充分混合后共同沉积，使得碳原子以原子级均匀内嵌在纳米硅材料中。相比于普通的纳米硅材料或硅碳复合材料，该材料在脱嵌锂过程中结构更稳定，体积膨胀小，用于锂电池负极时，具有更好的循环性能。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种用于二次锂电池的新型复合材料，其特征在于，所述新型复合材料包括：纳米硅和碳原子，并且所述碳原子以原子级别均匀分布在纳米硅中；碳原子与硅原子结合形成无定型的Si
‑
C键，X射线衍射能谱XRD中无SiC的结晶峰；
[0007]所述新型复合材料的固体核磁共振NMR检测
29
Si NMR图谱显示，当硅的峰位于
‑
70ppm～
‑
130ppm时，在20ppm～
‑
20ppm之间，存在Si
‑
C的共振峰；Si
‑
C共振峰与硅峰的面积比为(0.1，5.0)；
[0008]所述新型复合材料的平均颗粒粒径D
50
为1nm
‑
50μm；所述碳原子的质量占新型复合材料质量的0.5％
‑
50％。
[0009]优选的，所述新型复合材料内还包含氧元素，所述氧元素分散于所述纳米硅的材料内部或者材料表面，所述氧元素的质量占所述新型复合材料质量的0.1％
‑
20％；
[0010]优选的，所述新型复合材料呈单体结构存在，或者所述新型复合材料沉积于基体
材料的内部或表面；所述单体结构包括纳米颗粒或纳米线。
[0011]第二方面，本专利技术实施例提供了一种第一方面所述的用于二次锂电池的新型复合材料的制备方法，所述制备方法包括：
[0012]在反应容器中按比例同时通入硅源，碳源和载气，控制反应容器的温度在450℃
‑
1000℃，反应压力为0.1atm
‑
10atm；
[0013]反应结束后降温，得到所述用于二次锂电池的新型复合材料，或者，在反应进行过程中将反应生成的产物导入冷却腔，得到所述用于二次锂电池的新型复合材料。
[0014]优选的，所述硅源为含硅的蒸汽，具体包括：甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、六甲基二硅烷、二甲基硅氧烷中的一种或多种的组合；
[0015]所述碳源包括：乙炔、甲烷、丙烯、乙烯、丙烷或乙醇中的一种或多种的组合；
[0016]所述载气包括：氢气、氮气、氩气中的一种或多种的组合。
[0017]第三方面，本专利技术实施例提供了一种包括上述第一方面所述的用于二次锂电池的新型复合材料的负极片。
[0018]第四方面，本专利技术实施例提供了一种包括上述第一方面所述的用于二次锂电池的新型复合材料的锂电池。
[0019]本专利技术提出的用于二次锂电池的新型复合材料，通过硅源和碳源充分混合后共同沉积，使得碳原子以原子级均匀内嵌在纳米硅材料中。相比于普通的纳米硅材料或硅碳复合材料，该材料在脱嵌锂过程中结构更稳定，体积膨胀小，用于锂电池负极时，具有更好的循环性能。
附图说明
[0020]下面通过附图和实施例，对本专利技术实施例的技术方案做进一步详细描述。
[0021]图1为本专利技术实施例提供的用于二次锂电池的新型复合材料的制备方法的流程图；
[0022]图2为本专利技术实施例1提供的新型复合材料的XRD图谱；
[0023]图3为本专利技术实施例1提供的新型复合材料的
29
Si NMR图谱；
[0024]图4为本专利技术实施例3提供的新型复合材料的
29
Si NMR图谱。
具体实施方式
[0025]下面通过附图和具体的实施例，对本专利技术进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本专利技术，即并不意于限制本专利技术的保护范围。
[0026]本专利技术用于二次锂电池的新型复合材料，包括纳米硅和碳原子，并且碳原子以原子级别均匀分布在纳米硅中；碳原子与硅原子结合形成无定型的Si
‑
C键，X射线衍射能谱XRD中无SiC的结晶峰；
[0027]新型复合材料的固体核磁共振NMR检测
29
Si NMR图谱显示，当硅的峰位于
‑
70ppm～
‑
130ppm时，在20ppm～
‑
20ppm之间，存在Si
‑
C的共振峰；Si
‑
C共振峰与硅峰的面积比的范围在0.1
‑
50；
[0028]新型复合材料的平均颗粒粒径D
50
为1nm
‑
50μm；碳原子的质量占新型复合材料质量
的0.5％
‑
50％。
[0029]在可选的方案中，新型复合材料内还包含氧元素，氧元素分散于纳米硅的材料内部或者材料表面，氧元素的质量占新型复合材料质量的0.1％
‑
20％。
[0030]本专利技术的新型复合材料呈单体结构存在，单体结构包括纳米颗粒或纳米线；或者本专利技术的新型复合材料沉积于基体材料的内部或表面。
[0031]本专利技术用于二次锂电池的新型复合材料可以通过如图1所示的方法步骤来制备，包括：
[0032]步骤110，在反应容器中按比例同时通入硅源，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于二次锂电池的新型复合材料，其特征在于，所述新型复合材料包括：纳米硅和碳原子，并且所述碳原子以原子级别均匀分布在纳米硅中；碳原子与硅原子结合形成无定型的Si
‑
C键，X射线衍射能谱XRD中无SiC的结晶峰；所述新型复合材料的固体核磁共振NMR检测
29
Si NMR图谱显示，当硅的峰位于
‑
70ppm～
‑
130ppm时，在20ppm～
‑
20ppm之间，存在Si
‑
C的共振峰；Si
‑
C共振峰与硅峰的面积比为(0.1，5.0)；所述新型复合材料的平均颗粒粒径D
50
为1nm
‑
50μm；所述碳原子的质量占新型复合材料质量的0.5％
‑
50％。2.根据权利要求1所述的用于二次锂电池的新型复合材料，其特征在于，所述新型复合材料内还包含氧元素，所述氧元素分散于所述纳米硅的材料内部或者材料表面，所述氧元素的质量占所述新型复合材料质量的0.1％
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：罗飞，
申请(专利权)人：溧阳天目先导电池材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：