无定形硅基负极材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种无定形硅基负极材料的制备方法，具体包括如下步骤：步骤1，将多孔碳基体置于回转炉中，通入保护气体和硅源气体的混合气在多孔碳基体内部沉积纳米硅，得到生长纳米硅的多孔碳基体；步骤2，将步骤1所得的纳米硅生长的多孔碳基体置于回转炉中，在保护气体和有机气源的混合气氛中进行化学化学气相沉积，对纳米硅生长的多孔碳基体进行软碳包覆，得到硅基负极材料。本发明专利技术通过调控全流程中氢气流量以控制硅颗粒生长程度和结晶性，从而制备具有高容量、高首效和低膨胀的硅基负极材料。材料。材料。

【技术实现步骤摘要】
无定形硅基负极材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料
，涉及一种无定形硅基负极材料的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着大规模用电设备的应用，人们对电池续航时间、快充和安全性能提出了更高的要求。硅负极材料由于比容量高、原料来源广等优点而受到广泛关注。但是，硅材料在充放电过程中巨大的体积膨胀，严重影响了电极材料在循环过程中的稳定性，造成电池容量快速衰减。目前，无定形化是降低硅材料体积膨胀的有效手段。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种无定形硅基负极材料的制备方法，该方法通过调控全流程中氢气流量以控制硅颗粒生长程度和结晶性，从而制备具有高容量、高首效和低膨胀的硅基负极材料。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是，无定形硅基负极材料的制备方法，具体包括如下步骤：
[0005]步骤1，将多孔碳基体置于回转炉中，通入保护气体和硅源气体的混合气在多孔碳基体内部沉积纳米硅，得到生长纳米硅的多孔碳基体；
[0006]步骤2，将步骤1所得的纳米硅生长的多孔碳基体置于回转炉中，在保护气体和有机气源的混合气氛中进行化学化学气相沉积，对纳米硅生长的多孔碳基体进行软碳包覆，得到硅基负极材料。
[0007]本专利技术的特点还在于：
[0008]步骤1中，保护气体和硅源气体的混合比例1:1
‑
9:1，保护气体中氢气与其他保护气体的比例1:1
‑
1:5，混合气体流量为10
‑
50L/h，加热温度为500
‑
900℃，保温时间为1
‑
10h。
[0009]步骤1中，保护气体为氢气和氮气或氢气和氩气的混合气体，氢气和氮气或氩气的混合比例1:1
‑
1:5；硅源气体为硅烷、二硅烷、三硅烷、四硅烷、氯硅烷和六氯硅烷中的至少一种。
[0010]步骤2中，保护气体和有机气源的混合比例1:1
‑
9:1，混合气体流量为10
‑
50L/h，加热温度为500
‑
900℃，保温时间为2
‑
6h。
[0011]步骤2中，保护气体为氢气和氮气或氢气和氩气的混合气体，氢气和氮气或氩气的混合比例1:1
‑
1:5；有机气源为乙炔、丙烷、环己烷、甲烷和苯中的至少一种。
[0012]步骤1中，多孔碳比表面积为100
‑
2000m2/g，孔容为0.3
‑
2.5cm3/g，平均孔径为2
‑
500nm。
[0013]本专利技术的有益效果是，本专利技术以多孔碳为化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)生长硅颗粒的基体，并在表面包覆软碳制备出硅碳负极材料。在化学气相沉积和软碳包覆过程中通入氢气并控制混合气体流量抑制硅颗粒长大和结晶，有效降低硅
材料在循环过程中的体积膨胀，提高材料的电化学性能。此外，多孔碳基体提供电子通道，同时抑制硅材料在循环过程中的体积膨胀，多孔碳和硅颗粒表面包覆的软碳可降低材料比表面积，提高材料首次库伦效率。
附图说明
[0014]图1是本专利技术无定形硅基负极材料的制备方法的流程图；
[0015]图2是本专利技术无定形硅基负极材料的制备方法实施例1、2和对比例1的XRD图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0017]本专利技术无定形硅基负极材料的制备方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
[0018]步骤1，将多孔碳基体置于回转炉中，通入保护气体和硅源气体的混合气在多孔碳基体内部沉积纳米硅，得到生长纳米硅的多孔碳基体。
[0019]步骤1，保护气体和硅源气体的混合比例1:1
‑
9:1，混合气体流量为10
‑
50L/h，加热温度为500
‑
900℃，保温时间为1
‑
10h。
[0020]步骤1，保护气体为氢气和氮气或氢气和氩气的混合气体，氢气和氮气或氩气的混合比例1:1
‑
1:5。
[0021]硅源气体为硅烷、二硅烷、三硅烷、四硅烷、氯硅烷和六氯硅烷中的至少一种，优选硅烷。
[0022]步骤2，将纳米硅生长的多孔碳基体置于回转炉中，在保护气体和有机气源的混合气氛中进行化学化学气相沉积，对纳米硅生长的多孔碳基体进行软碳包覆，得到硅基负极材料。
[0023]步骤2，保护气体和有机气源的混合比例1:1
‑
9:1，混合气体流量为10
‑
50L/h，加热温度为500
‑
900℃，保温时间为2
‑
6h。
[0024]步骤2，保护气体为氢气和氮气或氢气和氩气的混合气体，氢气和氮气或氩气的混合比例1:1
‑
1:5。
[0025]有机气源为乙炔、丙烷、环己烷、甲烷和苯中的至少一种，优选乙炔。
[0026]多孔碳可选用商业活性炭或通过以下方式制得，例如采用SiO2、碳酸钙、聚苯乙烯、KOH、ZnCl2等为造孔剂，以酚醛树脂、沥青、蔗糖、二乙烯苯等为碳源，碳源和造孔剂混合后经高温碳化去除造孔剂，通过控制造孔剂和碳源比例控制多孔碳的孔容、比表和孔径。
[0027]多孔碳比表面积为100
‑
2000m2/g，孔容为0.3
‑
2.5cm3/g，平均孔径为2
‑
500nm。
[0028]步骤2中，保护气体和硅源气体及有机气源的混合比例为1:1
‑
9:1。
[0029]如果保护气体比例低于1:1，此时保护气体量过少，将无法抑制在全流程中硅颗粒的长大和晶化行为，循环过程中材料膨胀增大。如果保护气体比例高于9:1，硅源气体过少，多孔碳内硅颗粒沉积量不足，材料制备效率低。
[0030]本专利技术以上制备的硅基负极材料，可以用作锂电池负极材料中的活性物质，用于制备锂电池负极极片。
[0031]本专利技术实施例中提供的活性物质制备锂离子电池负极材料，然后组装纽扣式锂离子电池，组装锂离子电池所用的原料均相同，其中，正极为锂片，集流体为铜箔，组装完毕后
测试各组锂离子电池的首次充电比容量和首次库伦效率。
[0032]多孔碳孔容、比表和孔径测试方法：采用BET比表面积测试仪。
[0033]纳米硅颗粒结晶性测试方法：采用X射线衍射仪进行测试。
[0034]硅基负极材料膨胀率测试方法：采用上述方法制备CR2032型扣式电池，用蓝电测试系统对电池进行充放电测试，第二次循环满电后在手套箱中拆解扣电，测量极片厚度。膨胀率计算方法：(循环后极片厚度
‑
循环前极片厚度)/循环前极片厚度
×
100％。
[0035]实施例1
[0036](1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.无定形硅基负极材料的制备方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1，将多孔碳基体置于回转炉中，通入保护气体和硅源气体的混合气在多孔碳基体内部沉积纳米硅，得到生长纳米硅的多孔碳基体；步骤2，将步骤1所得的纳米硅生长的多孔碳基体置于回转炉中，在保护气体和有机气源的混合气氛中进行化学化学气相沉积，对纳米硅生长的多孔碳基体进行软碳包覆，得到硅基负极材料。2.根据权利要求1所述的无定形硅基负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，保护气体和硅源气体的混合比例1:1
‑
9:1，保护气体中氢气与其他保护气体的比例1:1
‑
1:5，混合气体流量为10
‑
50L/h，加热温度为500
‑
900℃，保温时间为1
‑
10h。3.根据权利要求2所述的无定形硅基负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，保护气体为氢气和氮气或氢气和氩气的混合气体，氢气和氮气或氩气的混合比例1:1
‑
1:5；硅源气体为硅烷、二硅烷、三硅烷、四硅烷、氯硅烷和六氯硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：李云祥，薛孟尧，张长安，曹新龙，屈涛，魏立帅，
申请(专利权)人：泾河新城陕煤技术研究院新能源材料有限公司，
类型：发明
国别省市：