一种核壳结构的硅碳负极材料及制备方法和锂离子电池技术

本发明专利技术公开了一种核壳结构的硅碳负极材料及其制备方法和锂离子电池，制备方法包括以下步骤：S1，石墨和有机硅前驱体在高温条件下通过化学气相沉积获得硅纳米线包覆的石墨材料；S2，在保护气氛条件下通入烃类气体并进行保温，制得核壳结构的硅碳负极材料。本发明专利技术制备的硅碳负极材料不仅可以有效缓解硅基负极材料的体积膨胀，而且能有效阻隔硅纳米线与电解液直接接触，大大提高锂离子电池的循环性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种核壳结构的硅碳负极材料及制备方法和锂离子电池


[0001]本专利技术涉及电池制造领域，尤其涉及一种核壳结构的硅碳负极材料及制备方法和锂离子电池。

技术介绍

[0002]随着经济的高速发展，以锂离子电池为主要表现形式的电化学储能因其环境友好，循环寿命长，自放电小，能量密度高及高电压等特点受到极大关注和青睐，已在各类便携式电子产品中得到广泛应用。然而商用化石墨负极材料低的比容量(372mAh/g)难以满足新能源汽车动力电池等对高能量密度的使用需求。
[0003]硅材料因其较高的比容量(4200mAh/g)和丰富的地壳储量最有望成为下一代负极材料的首选材料，然而，硅作为半导体材料，对锂离子和电子的传导能力差，且硅和锂合金化反应导致充放电过程中颗粒体积膨胀高达300％，极易导致电极结构破坏，电池容量衰减剧烈，以上问题严重限制了硅作为负极材料的规模化使用，将硅材料纳米化是一个有效的途径，而批量和高效的制备纳米硅就成为实现产业化的重要技术基础，也是当前面临的难题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术目的是提供一种核壳结构的硅碳负极材料及制备方法和锂离子电池，以有机硅为前驱体，通过化学气相沉积工艺制备核壳结构的硅碳负极材料，该硅碳负极材料不仅可以有效缓解硅基负极材料的体积膨胀，而且能有效阻隔硅纳米线与电解液直接接触，大大提高锂离子电池的循环性能。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0006]本专利技术的第一方面提供一种核壳结构的硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1，在真空条件下，石墨和有机硅前驱体在高温条件下通过化学气相沉积获得硅纳米线包覆的石墨材料；
[0008]S2，在保护气氛条件下通入烃类气体并进行保温，制得核壳结构的硅碳负极材料。
[0009]优选地，所述步骤S1中：
[0010]所述有机硅前驱体选自SiCl4、HSiCl3、H2SiCl2、H3SiCl、CH3SiCl3、(CH3)2SiHCl2、HSiBr3、H2SiBr2、H3SiBr、SiBr4、HSiI3、H2SiI2、H3SiI、SiI4、CH5SiI中的一种或几种；和/或
[0011]所述石墨的粒径为5～10μm。
[0012]优选地，所述步骤S1中：
[0013]在真空条件下，压强≥10
‑5Pa；和/或
[0014]在高温条件下，升温速率为1～10℃/min，高温温度为700～1000℃；和/或
[0015]在高温条件下，保温时间为0.6～6h。
[0016]优选地，所述步骤S1中，所述硅纳米线包覆的石墨材料上的硅纳米线的直径为10
～200nm。
[0017]优选地，所述步骤S2中：
[0018]所述保护气氛为氩气、氮气、氢气、CO2中的一种或几种；和/或
[0019]所述烃类气体为甲烷、乙烯、乙炔、丙烯、苯、甲苯中的一种或几种；和/或
[0020]所述烃类气体的通入速度为0.5～1L/h；和/或
[0021]所述保温过程中，保温温度为700～1000℃，保温时间为1～3h。
[0022]本专利技术的第二方面提供一种采用如本专利技术第一方面所述的核壳结构的硅碳负极材料的制备方法制备的核壳结构的硅碳负极材料，包括按质量百分比计的如下成分：石墨：5～99％，硅纳米线：1～90％，气相沉积碳0.1～20％。
[0023]优选地，所述硅纳米线包覆在所述石墨内核表面构成硅碳复合核心，所述气相沉积碳附着在所述硅碳复合核心的表面构成气相沉积碳层。
[0024]优选地，所述气相沉积碳层的厚度为5～50nm；和/或
[0025]所述核壳结构的硅碳负极材料的粒度为10～15μm，比表面积为1～3m2/g。
[0026]优选地，所述核壳结构的硅碳负极材料的首效大于86％。
[0027]本专利技术的第三方面提供一种锂离子电池，其负极采用如本专利技术第一方面所述的核壳结构的硅碳负极材料的制备方法制备的核壳结构的硅碳负极材料。
[0028]本专利技术的有益效果为：
[0029]1.本专利技术的核壳结构的硅碳负极材料及其制备方法，以有机硅为前驱体，通过化学气相沉积工艺制备核壳结构的硅碳负极材料，该硅碳负极材料不仅可以有效缓解硅基负极材料的体积膨胀，而且能有效阻隔硅纳米线与电解液直接接触，大大提高锂离子电池的循环性能；
[0030]2.本专利技术采用化学气相沉积工艺获得气相沉积碳可提高硅碳负极材料的导电性，从而有效的降低阻抗和极化程度，实现改善锂电池电化学性能的目的；
[0031]3.本专利技术制备的核壳结构的硅碳负极材料工艺简便，环境友好无污染，容易实现规模化生产。
附图说明
[0032]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0033]图1为本专利技术的核壳结构的硅碳负极材料的结构示意图；
[0034]图2为本专利技术实施例1中制备的核壳结构的硅碳负极材料粉末衍射XRD光谱图；
[0035]图3为本专利技术实施例7中制备的核壳结构的硅碳负极材料的电化学性能图。
具体实施方式
[0036]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。
[0037]针对现有技术中存在的硅碳负极材料首效低、循环稳定性差以及制备成本高等问题，本专利技术以有机硅为前驱体，采用化学气相沉积工艺进行制备，获得核壳结构的硅碳负极材料，该核壳结构的硅碳负极材料具有较低的首次不可逆比容量、优异的循环性能、低制备
成本等优点，在应用于锂离子负极时，展现出高的首效和稳定的长循环性能。
[0038]本专利技术提供的一种核壳结构的硅碳负极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
[0039]S1，在真空条件下，石墨和有机硅前驱体在高温条件下通过化学气相沉积获得硅纳米线包覆的石墨材料；
[0040]具体而言，若有机硅前驱体是气体为气体，则先将石墨放置在化学气相沉积炉中，在真空条件下通入有机硅前驱体；若有机硅前驱体为固体或液体，则将石墨和有机硅前驱体混合放置在化学气相沉积炉中后，将化学气相沉积炉抽真空；之后加热升温进行化学气相沉积，在高温条件下保持一段时间，此过程中有机硅前驱体分解成硅纳米线包覆在石墨表面，形成硅纳米线包覆的石墨材料。
[0041]其中，石墨的粒径为5～10μm；有机硅前驱体选自SiCl4、HSiCl3、H2SiCl2、H3SiCl、CH3SiCl3、(CH3)2SiHCl2、HSiBr3、H2SiBr2、H3SiBr、SiBr4、HSiI3、H2SiI2、H3SiI、SiI4、CH5SiI中的一种或几种。
[0042]在化学气相沉积(CVD)过程中，在真空条件下的压强≥10
‑5Pa；高温处理过程中，升温速率为1～10℃/min，高温温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核壳结构的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，在真空条件下，石墨和有机硅前驱体在高温条件下通过化学气相沉积获得硅纳米线包覆的石墨材料；S2，在保护气氛条件下通入烃类气体并进行保温，制得核壳结构的硅碳负极材料。2.如权利要求1所述的核壳结构的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中：所述有机硅前驱体选自SiCl4、HSiCl3、H2SiCl2、H3SiCl、CH3SiCl3、(CH3)2SiHCl2、HSiBr3、H2SiBr2、H3SiBr、SiBr4、HSiI3、H2SiI2、H3SiI、SiI4、CH5SiI中的一种或几种；和/或所述石墨的粒径为5～10μm。3.如权利要求1所述的核壳结构的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中：在真空条件下，压强≥10
‑5Pa；和/或在高温条件下，升温速率为1～10℃/min，高温温度为700～1000℃；和/或在高温条件下，保温时间为0.6～6h。4.如权利要求1所述的核壳结构的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述硅纳米线包覆的石墨材料上的硅纳米线的直径为10～200nm。5.如权利要求1所述的核壳结构的硅碳负极材料的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭清彬，何蓓蓓，赵高超，苏道东，李礼，路笃元，
申请(专利权)人：泰安市法拉第能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：