一种硅碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，所述硅碳复合材料采用核壳结构，其中，所述核壳结构的内核包括填充有金属氧化物的多孔硅颗粒，所述核壳结构的外壳包括包覆在所述多孔硅颗粒表面的有机金属化合物及其无定形碳；本发明专利技术在降低膨胀、提升电子导电率的同时，明显改善了材料之间的相容性和结构稳定性，适合应用于锂离子电池改善其循环性能和提升能量密度。提升能量密度。提升能量密度。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料制备领域，具体涉及一种硅碳复合材料，本专利技术还涉及了硅碳复合材料的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]硅碳材料自身虽然具有高能量密度表现，但是由于充放电过程中的膨胀大，造成其循环性能恶化，因此需要通过降低膨胀来提升其循环和功率性能。
[0003]目前提升硅碳材料功率性能、降低硅碳材料膨胀的措施主要包括：掺杂电子导电率高的金属或氧化物、在硅碳材料的内核或外壳进行包覆掺杂，降低满电膨胀，或采用新的制备方法来提升材料之间的结合力降低膨胀和提升循环性能，虽然这些方法在理论上可以改善硅碳材料的电子导电性、提升材料的功率性能，然而在实际实施时会发现，现有技术中的大多数方案通常会存在材料之间结合力较差的缺陷，进而会明显影响其应用电池的循环性能，最终也导致硅碳材料的高能量密度表现无法充分得到体现。
[0004]为此，本申请人希望寻求技术方案来对以上技术问题进行改进。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，降低膨胀、提升电子导电率的同时，明显改善了材料之间的相容性和结构稳定性，适合应用于锂离子电池改善其循环性能和提升能量密度。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料采用核壳结构，其中，所述核壳结构的内核包括填充有金属氧化物的多孔硅颗粒，所述核壳结构的外壳包括包覆在所述多孔硅颗粒表面的有机金属化合物及其无定形碳。
[0008]优选地，所述内核占所述核壳结构的重量份比例为80
‑
99wt％，所述外壳占所述核壳结构的重量份比例为1
‑
20wt％。
[0009]优选地，所述金属氧化物选自氧化铜、氧化镍、氧化铝、氧化铁中的一种或任意几种的混合。
[0010]优选地，所述有机金属化合物选自异丙醇铝、聚丙烯酸钠、4
‑
羟基苯甲酸钠、五甲基环戊二烯三氯化钛、钛酸正丁酯、硬脂酸锌中的一种或任意几种的混合。
[0011]优选地，一种如上所述硅碳复合材料的制备方法，包括如下操作步骤：
[0012]S1)、将金属氧化物和预先准备的多孔纳米硅分别添加到有机溶剂中分散均匀，经喷雾干燥后得到硅基前驱体材料A，其中，金属氧化物：有机溶剂：多孔纳米硅的质量比为1
‑
50:500
‑
2000:100；
[0013]S2)、将有机金属化合物添加到树脂溶液中分散均匀，然后添加步骤S1)得到的前驱体材料A，经过滤、干燥和高温碳化后，得到所述硅碳复合材料；其中，有机金属化合物：树脂：前驱体材料A的质量比为0.5
‑
5:1
‑
10:100。
[0014]优选地，所述多孔纳米硅的制备方法包括：将纳米硅转移到管式炉中，通入氧气/氩气的混合气体进行表面氧化处理至少1小时，得到纳米硅/硅氧材料；然后将得到的纳米硅/硅氧材料添加到有机碳源中分散均匀，经喷雾干燥后浸泡于强酸溶液中进行刻蚀，经真空干燥后得到所述多孔纳米硅；其中，纳米硅/硅氧材料：有机碳源的质量比为10
‑
80：100。
[0015]优选地，所述有机碳源选自葡萄糖、环氧树脂、沥青、石油焦、聚乙烯、聚氯乙烯、过氯乙烯、聚乙烯醇、蔗糖、柠檬酸中的一种或任意几种的混合；和/或所述强酸溶液为浓硫酸、浓硝酸、高氯酸、磷酸中的一种。
[0016]优选地，在所述步骤S1)中，所述有机溶剂选自环己烷、四氯化碳、二甲苯、四氢呋喃、丙酮中的一种；和/或所述金属氧化物选自氧化铜、氧化镍、氧化铝、氧化铁中的一种或任意几种的混合。
[0017]优选地，在所述步骤S2)中，所述树脂溶液中的树脂为酚醛树脂、环氧树脂、沥青、聚乙烯醇、脲醛树脂或硅树脂中的一种或任意几种的混合，其中，所述树脂溶液的质量浓度为5
‑
10％。
[0018]优选地，一种如上所述硅碳复合材料的应用，将所述硅碳复合材料作为制备电池极片的活性物质原料。
[0019]本申请在作为内核部分的多孔硅颗粒中填充高电子导电率的金属氧化物，用于降低阻抗提升功率性能，并在填充有金属氧化物的多孔硅颗粒表面包覆含有有机金属化合物的无定形碳，将其作为内核部分的外壳，降低阻抗和膨胀，进而组成特定核壳结构的硅碳复合材料，该硅碳复合材料一方面有效隔绝了内核硅基材料与电解液的接触，进而提升了存储性能和首次效率，另一方面依靠无机金属氧化物与有机金属氧化物在核壳结构之间发生协同配合作用，在降低膨胀、提升电子导电率的同时，明显改善了材料之间的相容性和结构稳定性，适合应用于锂离子电池改善其循环性能和提升能量密度。
附图说明
[0020]图1是本专利技术实施例1制备得到硅碳复合材料的SEM图。
具体实施方式
[0021]本实施例提供了一种硅碳复合材料，硅碳复合材料采用核壳结构，其中，核壳结构的内核包括填充有金属氧化物的多孔硅颗粒，核壳结构的外壳包括包覆在多孔硅颗粒表面的有机金属化合物及其无定形碳；优选地，在本实施方式中，内核占核壳结构的重量份比例为80
‑
99wt％，外壳占核壳结构的重量份比例为1
‑
20wt％；更优选为，内核占核壳结构的重量份比例为90
‑
99wt％，外壳占核壳结构的重量份比例为1
‑
10wt％。
[0022]优选地，为了进一步提升本实施例应用电池的循环性能，在本实施方式中，金属氧化物选自氧化铜、氧化镍、氧化铝、氧化铁中的一种或任意几种的混合；有机金属化合物选自异丙醇铝、聚丙烯酸钠、4
‑
羟基苯甲酸钠、五甲基环戊二烯三氯化钛、钛酸正丁酯、硬脂酸锌中的一种或任意几种的混合。
[0023]优选地，本实施例提出了一种如上所述硅碳复合材料的制备方法，包括如下操作步骤：
[0024]S1)、将金属氧化物和预先准备的多孔纳米硅分别添加(优选为采用依次先后顺序
添加)到有机溶剂中分散均匀，经喷雾干燥后得到硅基前驱体材料A，其中，金属氧化物：有机溶剂：多孔纳米硅的质量比为1
‑
50:500
‑
2000:100，更优选为1
‑
10:500
‑
1000:100；其中，本步骤S1)所采用的多孔纳米硅的制备方法包括：
[0025]将纳米硅转移到管式炉中，通入氧气/氩气的混合气体进行表面氧化处理至少1小时，优选为1
‑
6小时；得到纳米硅/硅氧材料；然后将得到的纳米硅/硅氧材料添加到有机碳源中分散均匀，经喷雾干燥后浸泡于强酸溶液中进行刻蚀(优选为至少刻蚀15小时，更优选为20
‑
30小时)，经真空干燥后得到多孔纳米硅；其中，纳米硅/硅氧材料：有机碳源的质量比为10
‑
80：100，更优选为10
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料采用核壳结构，其中，所述核壳结构的内核包括填充有金属氧化物的多孔硅颗粒，所述核壳结构的外壳包括包覆在所述多孔硅颗粒表面的有机金属化合物及其无定形碳。2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述内核占所述核壳结构的重量份比例为80
‑
99wt％，所述外壳占所述核壳结构的重量份比例为1
‑
20wt％。3.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述金属氧化物选自氧化铜、氧化镍、氧化铝、氧化铁中的一种或任意几种的混合。4.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述有机金属化合物选自异丙醇铝、聚丙烯酸钠、4
‑
羟基苯甲酸钠、五甲基环戊二烯三氯化钛、钛酸正丁酯、硬脂酸锌中的一种或任意几种的混合。5.一种根据权利要求1
‑
4之一所述硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：S1)、将金属氧化物和预先准备的多孔纳米硅分别添加到有机溶剂中分散均匀，经喷雾干燥后得到硅基前驱体材料A，其中，金属氧化物：有机溶剂：多孔纳米硅的质量比为1
‑
50:500
‑
2000:100；S2)、将有机金属化合物添加到树脂溶液中分散均匀，然后添加步骤S1)得到的前驱体材料A，经过滤、干燥和高温碳化后，得到所述硅碳复合材料；其中，有机金属化合物：树脂：前驱体材料A的质量比为0.5
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘登华，陈英楠，孙梦奇，刘殿忠，高明亮，
申请(专利权)人：东营胜华盈创新材料有限公司胜华新材料集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：