一种高功率硅碳负极复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高功率硅碳负极复合材料及其制备方法，涉及锂离子电池材料制备技术领域。高功率硅碳负极复合材料为核壳结构，内核为纳米硅

【技术实现步骤摘要】
一种高功率硅碳负极复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池材料制备
，特别是涉及一种高功率硅碳负极复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]硅碳材料以其比容量高、材料来源广泛等优点而应用于高比能量密度锂离子电池，但是其满电膨胀高、循环性能差造成其仅仅应用于电动工具，数码等领域，无法应用于EV等领域。而造成其硅碳材料膨胀较大的原因为砂磨法制备出的硅碳材料的硅晶粒较大(约20nm)造成其循环性能较差，而改善循环性能降低膨胀需要从降低硅晶粒的尺寸入手。硅烷裂解法制备硅碳材料的纳米硅具有硅晶粒小(2
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3nm)，膨胀低、循环性能好等优点，但是多孔碳结构的功率性能偏差，降低其倍率性能。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种高功率硅碳负极复合材料及其制备方法，通过采用气体雾化法在其多孔金属碳化合物中沉积纳米硅，并通过气体雾化法在其表面沉积有机锂盐，提升硅碳复合材料的功率性能、循环性能。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]本专利技术技术方案之一，一种高功率硅碳负极复合材料，所述高功率硅碳负极复合材料为核壳结构，内核为纳米硅
‑
多孔金属碳纤维复合材料，外壳由有机锂盐和无定形碳组成；所述高功率硅碳负极复合材料中外壳的含量为5
‑
15wt％；
[0006]所述内核中多孔金属碳纤维与纳米硅的质量比为20
‑
80:20
‑
80；所述多孔金属碳纤维中金属的含量为20
‑
30％；所述外壳中有机锂盐与无定形碳的质量比为10
‑
30:70
‑
90。
[0007]进一步地，所述多孔金属碳纤维的制备方法包括以下步骤：
[0008]将丙烯腈和有机金属化合物溶于有机溶剂中混合均匀得到纺丝液，静电纺丝得到纳米有机金属碳纤维；
[0009]将所述纳米有机金属碳纤维在惰性气氛下750
‑
850℃烧结1
‑
6h，得到所述多孔金属碳纤维。
[0010]进一步地，所述静电纺丝的条件为：电压15
‑
25kV，推注速度0.1
‑
1mm/min，接收距离15
‑
25cm；所述有机金属化合物为乙酰丙酮锆、锆酸四丁酯、钒酸锆、异辛酸锆中的一种；所述有机溶剂为N,N
‑
二甲基甲酰胺；所述丙烯腈和有机金属化合物的质量比为100:1
‑
10；所述纺丝液中丙烯腈的浓度为10
‑
30wt％。
[0011]在本专利技术中，有机金属化合物选择锆化合物，金属锆想对其其它金属(比如钛等)具有结构稳定性好的特性，更有利于锂离子的快速传输。
[0012]本专利技术技术方案之二，一种上述高功率硅碳负极复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0013]步骤1，通过气体雾化法在多孔金属碳纤维中沉积纳米硅，得到所述内核；
[0014]步骤2，通过气体喷雾法在所述内核表面沉积有机锂盐，得到所述高功率硅碳负极复合材料。
[0015]进一步地，步骤1中，将多孔金属碳纤维转移到反应腔中，首先抽真空，之后同时通入硅烷气体和碳源气体，保持腔内压强为0.1
‑
1Mpa，在200
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500℃温度下裂解30
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300min，得到所述内核。
[0016]进一步地，所述硅烷气体为SiH4，所述碳源气体为甲烷、乙烷、乙炔和乙烯中的一种。
[0017]进一步地，所述硅烷气体的流量为10
‑
100mL/min；所述碳源气体的流量为1
‑
10mL/min。
[0018]如果硅烷气体流量太高，纳米硅容易沉积在多孔碳的表面，进不到多孔碳的孔隙中，造成膨胀较大，如果硅烷流量太低，降低沉积效率，造成沉积时间过长，纳米硅同样会长大，膨胀较大。
[0019]如果碳源气体流量过高，外层的无定形碳不致密，影响循环性能；如果碳源气体流量过低，造成沉积时间长，内核沉积纳米硅会生长较大，造成膨胀较大。
[0020]进一步地，步骤2中，将所述内核转移到真空反应腔中作为基体，有机锂溶液作为喷雾液，采用气体喷雾法得到所述高功率硅碳负极复合材料；所述气体喷雾法具体为：真空腔的真空度为压力0.1
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1atm，雾化室的温度为100
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200℃，载气为氩气，雾化速率0.1
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1kg/min，时间1
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6h。
[0021]进一步地，所述有机锂盐溶液中有机锂盐的浓度为1
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10wt％；所述有机锂盐为醋酸锂、乙酸锂、草酸锂、双三氟甲基磺酸亚胺锂和三氟甲基磺酸锂中的一种。
[0022]本专利技术技术方案之三，一种锂离子电池，负极材料采用上述的高功率硅碳负极复合材料。
[0023]本专利技术公开了以下技术效果：
[0024]本专利技术通过将纳米硅沉积在多孔金属碳纤维中，依靠其多孔结构及金属纤维状的碳结构，降低膨胀；同时金属纤维状结构具有电子导电率高的特性，提升倍率性能。
[0025]本专利技术通过采用气体雾化法在其纳米硅
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金属碳纤维表面沉积有机锂，依靠其表面的有机锂降低其首次充放电过程中的不可逆容量提升首次效率和锂离子传输速率，同时气体雾化法比气相沉积法具有反应温度低，硅晶粒生长小，效率高等优点；且有机锂沉积在内核(由多孔金属碳纤维及纳米硅组成)表面具有与电解液相容性高等优点，改善存储性能。同时，由于纳米硅与电解液接触会造成副反应较多且产气，在其外壳包覆无定形碳，隔绝纳米硅直接与电解液接触降低副反应；同时外壳的无定形碳具有与电解液较好的相容性，改善存储性能和功率性能。
[0026]本专利技术采用硅烷进行裂解，具有裂解温度低、活性弱、硅晶粒小、沉积均匀等优点，并在其表面包覆锂化合物和无定形碳提升材料的电子和离子导电性，应用于锂离子电池具有功率性能优异，膨胀低、循环性能好等优点。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施
例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1为实施例1制备的硅碳复合材料的SEM图。
具体实施方式
[0029]现详细说明本专利技术的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本专利技术的限制，而应理解为是对本专利技术的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
[0030]应理解本专利技术中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本专利技术。另外，对于本专利技术中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高功率硅碳负极复合材料，其特征在于，所述高功率硅碳负极复合材料为核壳结构，内核为纳米硅
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多孔金属碳纤维复合材料，外壳由有机锂盐和无定形碳组成；所述高功率硅碳负极复合材料中外壳的含量为5
‑
15wt％；所述内核中多孔金属碳纤维与纳米硅的质量比为20
‑
80:20
‑
80；所述多孔金属碳纤维中金属的含量为20
‑
30％；所述外壳中有机锂盐与无定形碳的质量比为10
‑
30:70
‑
90。2.根据权利要求1所述的高功率硅碳负极复合材料，其特征在于，所述多孔金属碳纤维的制备方法包括以下步骤：将丙烯腈和有机金属化合物溶于有机溶剂中混合均匀得到纺丝液，静电纺丝得到纳米有机金属碳纤维；将所述纳米有机金属碳纤维在惰性气氛下750
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850℃烧结1
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6h，得到所述多孔金属碳纤维。3.根据权利要求2所述的高功率硅碳负极复合材料，其特征在于，所述静电纺丝的条件为：电压15
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25kV，推注速度0.1
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1mm/min，接收距离15
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25cm；所述有机金属化合物为乙酰丙酮锆、锆酸四丁酯、钒酸锆、异辛酸锆中的一种；所述有机溶剂为N,N
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二甲基甲酰胺；所述丙烯腈和有机金属化合物的质量比为100:1
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10；所述纺丝液中丙烯腈的浓度为10
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30wt％。4.一种权利要求1所述的高功率硅碳负极复合材料的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛永，郝宇，张文杰，赵珍，
申请(专利权)人：内蒙古欣源石墨烯科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：