碳包覆多孔硅负极材料及其制备方法和应用、锂电池技术

本发明专利技术涉及锂离子电池技术领域，公开了一种碳包覆多孔硅负极材料及其制备方法和应用、锂电池。本发明专利技术的制备方法包括：(1)将含有铝硅合金、有机碳源和表面活性剂的混合物进行保温处理I，得到材料I；(2)将所述材料I与酸溶液进行接触混合，然后进行干燥处理，得到材料II；(3)在保护气体存在下，将所述材料II进行保温处理II，得到所述碳包覆多孔硅负极材料。本发明专利技术提供的方法工艺简单，生产周期短，且成本低廉，易于推广，制备得到的碳包覆多孔硅负极材料应用于锂电池后具有更高的可逆比容量和更好的循环稳定性。好的循环稳定性。好的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
碳包覆多孔硅负极材料及其制备方法和应用、锂电池


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，具体涉及一种碳包覆多孔硅负极材料及其制备方法和应用、锂电池。

技术介绍

[0002]锂离子电池具有高能量密度、低自放电、良好的循环性能、无记忆效应等优势，是最具潜力的高效二次电池，也是发展最快的化学储能电源锂电池；目前商用锂离子电池的负极材料主要是石墨，但其理论比容量只有372mA h/g，难以适应目前的实际应用需求。
[0003]硅与石墨负极材料相比具有明显的优势。首先，硅具有所有负极材料中最高的理论比容量4200mA h/g(完全锂化形成Li
22
Si5)；其次，硅负极具有较低的放电电位平台(≈0.1V vs Li+/Li)，而且地壳中硅元素丰度高、化学性质稳定、绿色无毒，这些因素都使硅成为下一代锂电池负极材料的重要研究方向。
[0004]然而硅负极在充放电过程中体积效应明显，容易造成循环过程中硅颗粒破碎，形成不稳定的SEI膜，甚至从集流体上脱落；除此之外，硅电极内锂离子扩散速率较低，而且导电性不佳，这些问题都制约了硅负极的发展。
[0005]目前研究人员对于硅负极材料的改性主要包括以下几种：硅颗粒的纳米化、硅材料结构设计、制备硅与碳材料、聚合物等复合材料；这些改性从本质上来说，一是减小硅的体积膨胀效应，避免在循环过程中的结构破坏；二是减小锂离子的脱嵌深度，缩短锂离子的传输路径，提升电化学反应的动力学速率；三是为硅基负极材料构建导电网络，提升导电性，改善容量以及倍率性能。
>[0006]CN110289402A公开了一种交联碳包覆介孔硅颗粒的电极材料，由多孔硅颗粒上覆有碳元素组成；其制备方法包括：先将破碎了的铝硅合金置于球磨机中进行液相球磨，再将得到的铝硅合金粉末和酸溶液混合搅拌后，将得到的介孔硅颗粒、阳离子表面活性剂和有机碳源溶液混合搅拌后干燥，得到中间产物，之后，将中间产物置于还原性气氛中煅烧，得到所述交联碳包覆介孔硅颗粒的电极材料。此现有技术进行介孔硅颗粒表面碳包覆过程中外层碳包覆不够完整，导致材料表面有许多裸露的硅，在首次形成SEI膜的过程中消耗大量活性锂，形成的不可逆容量较大，得到的电极材料首圈库伦效率低。
[0007]CN115132988A公开了一种铝硅合金为原料合成碳包覆硅负极的制备方法，包括以下步骤：先将铝硅合金在惰性气氛下保温后冷却；在氩气气氛下，将得到的铝硅粉原料加热后通入乙炔/氩气气氛，保温2
‑
4h，待冷却完全后碳均匀包覆的铝硅合金；之后得到的碳包覆铝硅合金加入到去离子水中，再加入盐酸，室温磁力搅拌12
‑
24h，离心去离子水洗涤5次后放置入干燥箱80℃干燥6
‑
12h得到碳包覆硅负极材料。此现有技术在铝硅合金加热过程中铝相会发生溶解再沉积过程，会破坏此后形成多孔硅中的连续分级多孔结构，且本方案利用气相沉积法工艺复杂，成本较高，不易推广。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的硅负极存在的可逆比容量低与循环稳定性差的问题。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术的第一方面提供一种制备碳包覆多孔硅负极材料的方法，该方法包括：
[0010](1)将含有铝硅合金、有机碳源和表面活性剂的混合物进行保温处理I，得到材料I；所述铝硅合金中含有10
‑
40wt％的硅；所述铝硅合金与所述有机碳源和所述表面活性剂的用量重量比为1：0.1
‑
0.6：0.1
‑
0.6；所述保温处理I的条件至少满足：温度为140
‑
200℃；所述有机碳源选自蔗糖、壳聚糖、葡萄糖中的至少一种；
[0011](2)将所述材料I与酸溶液进行接触混合，然后进行干燥处理，得到材料II；
[0012](3)在保护气体存在下，将所述材料II进行保温处理II，得到所述碳包覆多孔硅负极材料。
[0013]优选地，在步骤(1)中，所述表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。
[0014]优选地，在步骤(1)中，所述铝硅合金的平均粒径为1
‑
10μm。
[0015]更优选地，所述铝硅合金中含有15
‑
30wt％的硅。
[0016]优选地，在步骤(1)中，所述保温处理I的条件包括：温度为160
‑
180℃，时间为5
‑
12h，升温速率为3
‑
10℃/min。
[0017]优选地，在步骤(2)中，所述酸溶液的用量使得所述接触混合的体系初始H
+
浓度为0.8
‑
1.2mol/L。
[0018]优选情况下，在步骤(2)中，所述接触混合在搅拌条件下进行，所述接触混合的条件包括：温度为20
‑
25℃，时间为6
‑
12h，搅拌速度为100
‑
300rpm。
[0019]优选地，所述干燥处理的条件包括：温度为60
‑
100℃，时间为4
‑
10h。
[0020]优选地，在步骤(3)中，所述保温处理II的条件包括：温度为600
‑
1000℃，时间为5
‑
12h，升温速率为3
‑
6℃/min。
[0021]本专利技术的第二方面提供由第一方面所述的方法制备得到的碳包覆多孔硅负极材料。
[0022]本专利技术的第三方面提供第二方面所述的碳包覆多孔硅负极材料在锂离子电池中的应用。
[0023]本专利技术的第四方面提供一种锂离子电池，该锂离子电池中包括：锂片、隔膜、极片和电解液，所述极片中含有第二方面所述的碳包覆多孔硅负极材料。
[0024]本专利技术提供的技术方案相较于现有技术至少具有以下优势：
[0025](1)本专利技术提供的制备碳包覆多孔硅负极材料的方法工艺简单，生产周期短，且成本低廉，易于推广。
[0026](2)本专利技术提供的制备碳包覆多孔硅负极材料的方法优化了合成顺序，先均匀包覆碳层再进行多余相的合成，避免了刻蚀得到的多孔硅碳包覆不均匀导致有裸露的硅的问题，得到的碳包覆层完整均匀，也减小了硅的体积效应。
[0027](3)本专利技术提供的碳包覆多孔硅负极材料中无效元素铝已被完全去除，最终得到的碳包覆多孔硅负极材料中硅和碳的质量比约为3：1，具备比容量高，振实密度大，循环稳
定性优异的特点。
附图说明
[0028]图1是对比各实例制备得到的碳包覆多孔硅负极材料装配的纽扣电池在充放电下的循环性能图；
[0029]图2是实施例1制备得到的碳包覆多孔硅负极材料的扫描电镜图；
[0030]图3是实施例6制备得到的碳包覆多孔硅负极材料的扫描电镜图；
[0031]图4是对比例1制备得到的碳包覆多孔硅负极材料的扫描电镜图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备碳包覆多孔硅负极材料的方法，其特征在于，该方法包括：(1)将含有铝硅合金、有机碳源和表面活性剂的混合物进行保温处理I，得到材料I；所述铝硅合金中含有10
‑
40wt％的硅；所述铝硅合金与所述有机碳源和所述表面活性剂的用量重量比为1：0.1
‑
0.6：0.1
‑
0.6；所述保温处理I的条件至少满足：温度为140
‑
200℃；所述有机碳源选自蔗糖、壳聚糖、葡萄糖中的至少一种；(2)将所述材料I与酸溶液进行接触混合，然后进行干燥处理，得到材料II；(3)在保护气体存在下，将所述材料II进行保温处理II，得到所述碳包覆多孔硅负极材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述表面活性剂选自聚乙烯吡咯烷酮、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述铝硅合金的平均粒径为1
‑
10μm；和/或，所述铝硅合金中含有15
‑
30wt％的硅。4.根据权利要求1
‑
3中任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述保温处理I的条件包括：温度为160
‑
180℃，时间为5
‑
12h，升温速率为3
‑
10℃/...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈罗甲，陈宝辉，刘晶菊，吕阳，褚君，应道发，陈扩，
申请(专利权)人：国网湖南省电力有限公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：