一种硅碳负极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负极材料及其制备方法和应用，其中硅碳负极材料包括基体以及包覆在基体表面的两层包覆层，里层包覆层为碳包覆层，外层包覆层为高分子聚合物包覆层；基体包括多孔碳和硅颗粒。具体采用化学气相沉积法将硅烷气体与烯烃类气体的混合气体通入进行沉积，使得硅颗粒小于10nm，有利于降低循环过程中硅体积膨胀。然后进行碳包覆，第一次碳包覆在基体表面初步形成一层碳保护层，防止降温及取出粉料过程中高活性的纳米硅颗粒与空气接触发生自燃或爆炸。第二次碳包覆在破碎分级后新暴露的碳基体表面以及首次碳包覆不完整的表面处形成致密的碳保护层。最后进行高分子聚合物包覆，使得高分子聚合物包覆层和碳包覆层形成错位保护机制。层形成错位保护机制。层形成错位保护机制。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于负极材料
，具体涉及一种硅碳负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]目前锂电池硅负极材料有以下三种情况：1.以韩国三星SDI为代表的企业将硅材料纳米化，制成硅纳米颗粒、硅纳米线/管、硅纳米薄膜等结构；2.以日本信越化学、松下为代表的公司采用预锂化硅氧化物和碳材料复配制备硅负极材料；3.以中国上海杉杉、贝特瑞为代表的公司采用纳米硅与碳材料复合技术制备硅碳负极材料。
[0003]以上三种技术路线制备的硅负极材料可以明显的提升负极材料的克容量，但由于硅颗粒在充放电过程中较大的体积膨胀会导致电芯循环性能较差。
[0004]公开号为CN105680023A的专利公开了一种高倍率硅基复合材料的制备方法、负极材料和锂电池，并且其具体公开了按照质量比在所述多孔碳的内外表面均匀附着硅材料；对所述附着后的材料进行碳包覆处理，得到所述高倍率硅基复合材料。其虽然通过用碳材料一方面缓解其应变，一方面包覆其表面抑制其与电解液的副反应。并且其中的多孔结构还能够更好的缓和应变且缩短锂离子扩散路径长度。但是其循环性能中只有循环5周和100周的情况，而更多的循环以及高温循环情况都并不清楚。
[0005]公开号为CN114695865A的专利公开了一种硅负极材料及其制备方法、负极极片和锂离子电池，具体公开了硅负极材料为核壳结构，包括内核、中间层和外壳，中间层包覆内核的至少部分表面，外壳包覆中间层的至少部分表面，内核为硅基材料，中间层为多孔碳层，多孔碳层的至少部分孔隙结构中沉积有纳米硅颗粒。该硅负极材料虽然采用内核、中间层以及外壳这种壳核结构，各层结构相互作用，既能够限制内部硅基材料和纳米硅的体积膨胀，增加了电池循环稳定性，又可提升材料的加工性能，硅基材料作为内核与纳米硅提升了负极材料的总体容量；采用离子导电聚合物作为外壳进行表面包覆，可以缓解硅基材料在充放电过程中的体积膨胀和表面变化，并且离子导电聚合物与粘结剂的相容性好，有利于材料的加工。但是其循环性能中只有100次循环及200次循环的循环情况，而高温循环情况也并不清楚。
[0006]公开号为CN111916745A的专利公开了硅负极材料及其制备方法，以及电化学电池，具体公开了所述硅负极材料中，所述热固性高分子聚合物不经碳化，直接与硅的一次颗粒及所述导电剂形成二次复合颗粒，利用所述热固性高分子聚合物兼具的强度和韧性，对硅颗粒的体积进行限制的同时，避免因硅颗粒体积变化导致的二次复合颗粒破裂，使所述二次复合颗粒的形状和结构在充放电循环过程中具有较好的稳定性和完整性，从而使得电化学电池具有更好的电化学性能。但是该专利性能测试中，循环性能具体循环圈数及高温循环性能并不清楚。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种硅碳负极材料及其制备方法和应用，以解决硅颗粒在充放电过程中较大的体积膨胀会导致电芯循环性能较差的技术问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供一种硅碳负极材料，所述硅碳负极材料包括基体以及包覆在所述基体表面的两层包覆层，其中，里层包覆层为碳包覆层，外层包覆层为高分子聚合物包覆层；所述基体包括多孔碳和硅颗粒。
[0009]进一步地，所述多孔碳为软碳、硬碳、沥青基等其中的一种或多种，粒度为3～10μm，孔径大小为2～10nm。
[0010]进一步地，所述硅颗粒的粒径小于10nm(如1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm)。
[0011]进一步地，所述碳包覆层的厚度为10～1000nm(如10nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm)。
[0012]进一步地，所述高分子聚合物包覆层的厚度为10～1000nm(如10nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm)。
[0013]进一步地，所述高分子聚合物包覆层所用的高分子聚合物包括聚烯类、聚酯类、聚酰胺类、聚醚类等其中的一种或多种。
[0014]更进一步地，所述聚烯类为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯中的一种或多种。
[0015]更进一步地，所述聚酯类为聚碳酸酯、聚对苯二酸酯类中的一种或多种。
[0016]一种上述硅碳负极材料的制备方法，具体包括以下步骤：
[0017]S1.采用化学气相沉积法将硅烷气体与烯烃类气体的混合气体沉积在多孔碳上，特别是孔壁上，得到粉料I；
[0018]S2.使用氩气将沉积后残留于沉积设备内的混合气体排出，然后通入甲烷或乙炔中的一种或多种气体将粉料I进行第一次碳包覆，破碎分级，然后通入甲烷或乙炔气体进行第二次碳包覆，得到粉料II；
[0019]S3.使用喷雾干燥法将高分子聚合物均匀的包覆在粉料II的表面，形成一层连续均匀致密的高分子聚合物包覆层，即得到所述的硅碳负极材料。
[0020]进一步地，在步骤S1中，所述多孔碳为软碳、硬碳、沥青基等其中的一种或多种，粒度为3～10μm，孔径大小为2～10nm。
[0021]进一步地，在步骤S1中，所述烯烃类气体为乙烯、丙烯等其中的一种或多种。
[0022]进一步地，在步骤S1中，所述烯烃类气体的加入量为硅烷气体的体积的0.1％～20％(如0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％)。
[0023]进一步地，在步骤S1中，所述混合气体沉积的处理温度为600～950℃(如600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃)。
[0024]进一步地，在步骤S1中，所述混合气体沉积的气体流速为0.1～20m3/min(如0.1m3/min、0.5m3/min、1m3/min、2m3/min、3m3/min、4m3/min、5m3/min、6m3/min、7m3/min、8m3/min、9m3/min、10m3/min、11m3/min、12m3/min、13m3/min、14m3/min、15m3/min、16m3/min、17m3/min、18m3/min、19m3/min、20m3/min)。
[0025]进一步地，在步骤S1中，所述混合气体沉积的处理时间为0.5～24h(如0.5h、1h、2h、3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h、10h、11h、12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h、23h、24h)。
[0026]进一步地，在步骤S1和步骤S2中，采用化学气相沉积炉进行沉积。
[0027]更进一步地，在步骤S1中，所述多孔碳的体积占化学气相沉积炉的炉腔体积的30％～85％(如30％、40％、50％、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料包括基体以及包覆在所述基体表面的两层包覆层，其中，里层包覆层为碳包覆层，外层包覆层为高分子聚合物包覆层；所述基体包括多孔碳和硅颗粒。2.如权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述高分子聚合物包覆层所用的高分子聚合物包括聚烯类、聚酯类、聚酰胺类、聚醚类等其中的一种或多种。3.如权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述多孔碳为软碳、硬碳、沥青基等其中的一种或多种，粒度为3～10μm，孔径大小为2～10nm。4.如权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述硅颗粒的粒径小于10nm。5.如权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述碳包覆层的厚度为10～1000nm。6.如权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述高分子聚合物包覆层的厚度为10～1000nm。7.一种如权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，具体包括以下步骤：S1.采用化学气相沉积法将硅烷气体与烯烃类气体的混合气体沉积在多孔碳上，得到粉料I；S2.使用氩气将沉积后残留于沉积设备内的混合气体排出，然后通入甲烷或乙炔中的一种或多种气...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯佳，
申请(专利权)人：楚能新能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：