一种硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于锂离子电池材料制备技术领域，具体涉及一种硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的复合材料的制备方法，包括：将有机金属化合物、粘结剂、造孔剂、导电剂添加到有机溶剂中，加热至第一温度，然后加入氧化剂进行反应，反应结束后过滤、干燥、碳化，得到多孔金属化合物；将其置于含有硅烷偶联剂和有机锂盐的电解液中进行电化学沉积，洗涤，干燥，得到硅掺杂多孔金属化合物；经还原气氛还原，然后在碳氮混合气体氛围下进行化学气相沉积，得到硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料。本发明专利技术提供的复合材料，可有效降低材料的膨胀性，将其应用到电池中可显著提升电池的首次效率以及循环性。升电池的首次效率以及循环性。升电池的首次效率以及循环性。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳材料掺杂多孔金属的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
，具体涉及一种硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]硅碳材料以其能量密度高、材料来源广泛等优点而成为高能量密度锂离子电池负极材料的重要材料，但是其存在膨胀大等缺陷，限制其在锂离子电池领域的推广应用。目前降低硅碳材料膨胀的措施包括材料纳米化、材料表面包覆、多孔结构等方法，现有方法中虽然在降低膨胀方面有一定改善，但是改善程度有限，且将其作为负极材料时电池的首次充放电效率和循环性能较低，进一步限制了其应用。

技术实现思路

[0003]因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术制备的硅碳材料对膨胀性改善有限，且将其作为负极材料时电池的首次充放电效率和循环性能较低的缺陷，从而提供一种硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料及其制备方法和应用。
[0004]本专利技术提供一种硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0005]1)将有机金属化合物、粘结剂、造孔剂、导电剂添加到有机溶剂中，加热至第一温度，然后加入氧化剂在第一温度下进行反应，反应结束后过滤、干燥、碳化，得到多孔金属化合物；
[0006]2)将步骤1)获得的多孔金属化合物置于含有硅烷偶联剂和有机锂盐的电解液中进行电化学沉积，然后进行洗涤，干燥，得到硅掺杂多孔金属化合物；
[0007]3)对步骤2)获得的硅掺杂多孔金属化合物在还原性气体的气氛下进行还原，然后在碳氮混合气体氛围下进行化学气相沉积，得到硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料。
[0008]优选的，所述有机金属化合物、粘结剂、造孔剂、导电剂和氧化剂的质量比为100：(5
‑
20)：(1
‑
5)：(1
‑
5)：(1
‑
10)；
[0009]所述有机金属化合物和有机溶剂的加入量比为1：(5
‑
6)，单位为g：ml。
[0010]例如所述有机金属化合物的加入量为100g，有机溶剂的加入量为500
‑
600ml。
[0011]优选的，步骤1)中所述第一温度为200
‑
400℃，反应时间为1
‑
6h；
[0012]所述干燥步骤为真空干燥，真空干燥温度为70
‑
90℃，真空干燥时间为12
‑
36h；
[0013]所述碳化步骤在惰性气体下进行，碳化温度为680
‑
720℃，碳化时间为1
‑
6h；
[0014]优选的，步骤1)中所述有机金属化合物选自二甲氨基二硫代甲酸镍、双三苯基膦二羰基镍、二乙酰丙酮镍、1,3
‑
双(二苯基膦丙烷)二氯化镍、二丁基二硫代氨基甲酸镍、双(六氟乙酰丙酮)合镍(II)、双(三苯基膦)氯化镍、(1,1'
‑
双(二苯基膦)二茂铁)二氯化镍、双(三苯基膦)二溴化镍中的至少一种；
[0015]所述粘结剂选自聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸中的至少一种；
[0016]所述导电剂选自碳纳米管、石墨烯、超级导电炭黑、气相生长碳纤维中的至少一
种；
[0017]所述造孔剂选自碳酸氢铵、碳酸铵、氯化铵中的至少一种；
[0018]所述氧化剂选自2
‑
甲基亚砜，对甲苯磺酸苯酯、三氟过氧乙酸中的至少一种；
[0019]所述有机溶剂选自四氯化碳、环己烷、N
‑
甲基吡咯烷酮中的至少一种。
[0020]优选的，步骤2)中，将步骤1)获得的多孔金属化合物作为工作电极，饱和甘汞作为对电极，然后将工作电极和对电极置于含有硅烷偶联剂和有机锂盐的电解液中进行电化学沉积，然后采用酸溶液对多孔金属化合物进行洗涤，干燥，得到硅掺杂多孔金属化合物。
[0021]优选的，步骤2)中所述含有硅烷偶联剂和有机锂盐的电解液中溶剂为碳酸甲乙酯，溶质为硅烷偶联剂和有机锂盐，其中硅烷偶联剂和有机锂盐的质量比10：(1
‑
5)，所述电解液中硅烷偶联剂的质量浓度为0.005
‑
0.05g/ml；
[0022]所述电化学沉积采用循环伏安法进行，扫描速率为0.5
‑
5mV/s，电压范围
‑
2V
‑
2V，沉积时间为10
‑
100周；
[0023]步骤2)所述洗涤步骤中，所述酸溶液为稀盐酸溶液，稀盐酸溶液的浓度为20
‑
30wt％；
[0024]步骤2)中所述干燥步骤为真空干燥，真空干燥温度为70
‑
90℃，真空干燥时间为12
‑
36h；
[0025]所述硅烷偶联剂选自3
‑
氯丙基三乙氧基硅烷、3
‑
氯丙基三甲氧基硅烷、3
‑
溴丙基三甲氧基硅烷中的至少一种；
[0026]所述有机锂盐选自甲醇锂、乙醇锂、甲酸锂、草酸锂、硬脂酸锂、二氟草酸硼酸锂中的至少一种。
[0027]优选的，步骤3)中所述碳氮混合气体为体积比(8
‑
12)：1的碳源气体和氨气的混合气体；
[0028]所述碳源气体选自甲烷、乙炔、乙烯、乙烷、丙烯中的至少一种。
[0029]优选的，步骤3)中，所述还原温度为200
‑
300℃，还原时间为1
‑
6h；优选的，所述还原性气体为氢气；
[0030]所述化学气相沉积温度为700
‑
900℃，化学气相沉积时间为1
‑
6h；
[0031]可选的，所述还原性气体的流速为100
‑
600ml/min，所述碳氮混合气体的流速为100
‑
600ml/min。
[0032]本专利技术还提供一种硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料，所述复合材料由上述所述的方法制备得到；
[0033]本专利技术提供的复合材料呈现核壳结构，内核为多孔金属化合物及其掺杂在孔隙中的导电剂、硅基材料、无定形碳及氧化锂，外壳为含氮无定形碳层；所述外壳质量占复合材料质量的1
‑
5％。
[0034]优选的，所述复合材料的内核中多孔金属化合物的质量占内核总质量的30
‑
50％，导电剂的质量占内核总质量的1
‑
10％，硅基材料的质量占内核总质量的10
‑
50％，氧化锂的质量占内核总质量的1
‑
10％，无定形碳的质量占内核总质量的1
‑
58％。
[0035]本专利技术还提供一种上述所述的硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料在可充电电池负极材料中的应用。
[0036]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0037]本专利技术提供的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将有机金属化合物、粘结剂、造孔剂、导电剂添加到有机溶剂中，加热至第一温度，然后加入氧化剂在第一温度下进行反应，反应结束后过滤、干燥、碳化，得到多孔金属化合物；2)将步骤1)获得的多孔金属化合物置于含有硅烷偶联剂和有机锂盐的电解液中进行电化学沉积，然后进行洗涤，干燥，得到硅掺杂多孔金属化合物；3)对步骤2)获得的硅掺杂多孔金属化合物在还原性气体的气氛下进行还原，然后在碳氮混合气体氛围下进行化学气相沉积，得到硅碳材料掺杂多孔金属的复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机金属化合物、粘结剂、造孔剂、导电剂和氧化剂的质量比为100：(5
‑
20)：(1
‑
5)：(1
‑
5)：(1
‑
10)；所述有机金属化合物和有机溶剂的加入量比为1：(5
‑
6)，单位为g：ml。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述第一温度为200
‑
400℃，反应时间为1
‑
6h；所述干燥步骤为真空干燥，真空干燥温度为70
‑
90℃，真空干燥时间为12
‑
36h；所述碳化步骤在惰性气体下进行，碳化温度为680
‑
720℃，碳化时间为1
‑
6h。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述有机金属化合物选自二甲氨基二硫代甲酸镍、双三苯基膦二羰基镍、二乙酰丙酮镍、1,3
‑
双(二苯基膦丙烷)二氯化镍、二丁基二硫代氨基甲酸镍、双(六氟乙酰丙酮)合镍(II)、双(三苯基膦)氯化镍、(1,1'
‑
双(二苯基膦)二茂铁)二氯化镍、双(三苯基膦)二溴化镍中的至少一种；所述粘结剂选自聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯酸中的至少一种；所述导电剂选自碳纳米管、石墨烯、超级导电炭黑、气相生长碳纤维中的至少一种；所述造孔剂选自碳酸氢铵、碳酸铵、氯化铵中的至少一种；所述氧化剂选自2
‑
甲基亚砜，对甲苯磺酸苯酯、三氟过氧乙酸中的至少一种；所述有机溶剂选自四氯化碳、环己烷、N
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘忆恩，
申请(专利权)人：山西沃特海默新材料科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：