一种硅基复合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基复合材料，包括硅基粉体材料和在硅基粉体材料表面垂直生长并对硅基粉体材料形成包覆的碳纳米墙；其中，碳纳米墙通过芳香烃助剂催化有机气源裂解形成，裂解的温度在500℃

【技术实现步骤摘要】
一种硅基复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及材料
，特别涉及一种硅基复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着经济发展和能源环境之间的矛盾越来越尖锐，使用化石能源的汽车已经逐渐不能满足对环境保护的要求。新能源汽车能够显著降低二氧化碳和其他有害气体的排放，同时具有高效节能、低排放甚至零排放的优势，是未来汽车产业的主要发展方向。负极材料作为锂离子电池的关键组成部分，对锂离子电池的能量密度、功率密度、循环性能以及安全性能影响巨大。
[0003]目前商业化使用的石墨碳类负极材料容量已接近372mAh/g的理论容量，很难进一步提升。和石墨相比，硅负极材料具有4200mAh/g极高地理论比容量，因此更具有发展潜力。但是较大的体积膨胀效应限制了硅负极材料的实际应用，气相沉积碳包覆是其中一种有效改善体积膨胀的技术手段。可是气相沉积技术涉及到气源比如甲烷、乙炔以及丙烯丙烷的裂解，这些气体的裂解需要很高的温度(＞700℃)，而其中的甲烷裂解温度更是高达900℃以上。从成本上来说，高温包覆耗费大量电能，无形之中增加了产品的成本。而且，长时间高温处理的硅逐渐晶化，极化现象加深，电池的循环性能逐渐下降。
[0004]因此，如何选择并有效的利用助剂促进气源裂解，低温气相沉积生成致密的包覆结构，有效改善倍率性能和体积膨胀的同时降低成本，则是当前研究的重要目标。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供了一种硅基复合材料及其制备方法和应用，通过选用芳香烃助剂催化有机气源裂解，在硅基粉体材料表面进行低温处理垂直生长碳纳米墙，因碳纳米墙的边缘缺陷位丰富，表面活性较高，因此使本申请的硅基复合材料具有良好的倍率性能。并且，碳纳米墙有利于隔绝副反应，抑制锂离子脱嵌造成的体积膨胀。
[0006]第一方面，本专利技术实施例提供了一种硅基复合材料，包括硅基粉体材料和在所述硅基粉体材料表面垂直生长并对所述硅基粉体材料形成包覆的碳纳米墙；
[0007]所述碳纳米墙通过芳香烃助剂催化有机气源裂解形成；所述裂解的温度在500℃
‑
900℃之间；
[0008]所述硅基复合材料中包括晶态硅或不包括晶态硅，在包括所述晶态硅的情况下，晶粒尺寸小于4nm。
[0009]优选的，所述硅基复合材料具体包括：90wt％
‑
99.9wt％的所述硅基粉体材料和0.1wt％
‑
10wt％的所述碳纳米墙。
[0010]优选的，所述硅基粉体材料包括：氧化亚硅、改性氧化亚硅、掺杂氧化亚硅或无定型硅合金中的一种或几种；
[0011]所述碳纳米墙具体为软碳；
[0012]所述有机气源包括：甲烷、乙炔、丙烯或丙烷中的一种或几种；
[0013]所述芳香烃助剂包括：苯、甲苯、二甲苯、联苯、萘、蒽、菲或芘芳香烃中的一种或几种。
[0014]优选的，所述硅基复合材料的比表面积在3m2/g
‑
10m2/g之间。
[0015]第二方面，本专利技术实施例提供了一种上述第一方面所述的硅基复合材料的制备方法，所述方法为化学气相沉积法，包括：
[0016]将硅基粉体材料置于高温回转炉内,在保护气氩气氛围下升温至500℃
‑
900℃；
[0017]向所述高温回转炉内通入有机气源，同时利用载气把芳香烃助剂带入高温回转炉内，保温2
‑
6小时,进行化学气相沉积；
[0018]关闭所述有机气源及所述载气，降温后得到所述硅基复合材料。
[0019]优选的，所述硅基粉体材料包括：氧化亚硅、改性氧化亚硅、掺杂氧化亚硅或无定型硅合金中的一种或几种；
[0020]所述有机气源包括：甲烷、乙炔、丙烯或丙烷中的一种或几种；
[0021]所述芳香烃助剂包括：苯、甲苯、二甲苯、联苯、萘、蒽、菲或芘芳香烃中的一种或几种；
[0022]所述载气包括：氮气、氩气或氦气中的一种或几种，所述载气的气体流速在0.1L/mi n
‑
1L/mi n之间。
[0023]第三方面，本专利技术实施例提供了一种负极极片，所述负极极片包括上述第一方面所述的硅基复合材料。
[0024]第四方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池，所述锂电池包括上述第三方面所述的负极极片；所述锂电池包括：锂离子电池、锂离子超级电容器、锂硫电池或全固态锂电池。
[0025]第五方面，本专利技术实施例提供了一种车用动力电池，所述车用动力电池包括上述第四方面的锂电池。
[0026]本专利技术实施例提供的硅基复合材料，通过选用芳香烃助剂催化有机气源裂解，在硅基粉体材料表面进行低温处理垂直生长碳纳米墙。其中，低温处理有利于抑制硅晶粒的晶化，能够降低氧化亚硅的歧化带来的容量损失；垂直于硅基生长并相互交织而成的致密碳纳米墙，因其边缘缺陷位丰富，表面活性较高，因此使本申请的硅基复合材料具有良好的倍率性能。此外，碳纳米墙有利于隔绝副反应，抑制锂离子脱嵌造成的体积膨胀。
附图说明
[0027]下面通过附图和实施例，对本专利技术实施例的技术方案做进一步详细描述。
[0028]图1为本专利技术提供的制备硅基复合材料的制备方法流程图；
[0029]图2为本专利技术实施例1提供的硅基复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图；
[0030]图3为本专利技术对比例1提供的未使用芳香烃助剂制备的硅基复合材料的SEM图；
[0031]图4为本专利技术对比例2提供的高温制备的硅基复合材料的SEM图；
[0032]图5为本专利技术实施例1提供的硅基复合材料的X射线衍射(XRD)图；
[0033]图6为本专利技术实施例2提供的硅基复合材料的XRD图；
[0034]图7为本专利技术实施例3提供的硅基复合材料的XRD图；
[0035]图8为本专利技术实施例4提供的硅基复合材料的XRD图；
[0036]图9为本专利技术实施例5提供的硅基复合材料的XRD图；
[0037]图10为本专利技术对比例2提供的高温制备的硅基复合材料的XRD图。
具体实施方式
[0038]下面通过附图和具体的实施例，对本专利技术进行进一步的详细说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本专利技术，即并不意于限制本专利技术的保护范围。
[0039]本专利技术实施例提供了一种硅基复合材料，包括硅基粉体材料和在硅基粉体材料表面垂直生长并对硅基粉体材料形成包覆的碳纳米墙。
[0040]硅基复合材料具体包括：90wt％
‑
99.9wt％的硅基粉体材料和0.1wt％
‑
10wt％的碳纳米墙。
[0041]硅基粉体材料包括：氧化亚硅、改性氧化亚硅、掺杂氧化亚硅或无定型硅合金中的一种或几种。
[0042]碳纳米墙具体为软碳，通过芳香烃助剂催化有机气源裂解形成，裂解的温度在500℃
‑
900℃之间；
[0043]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基复合材料，其特征在于，所述硅基复合材料，包括硅基粉体材料和在所述硅基粉体材料表面垂直生长并对所述硅基粉体材料形成包覆的碳纳米墙；所述碳纳米墙通过芳香烃助剂催化有机气源裂解形成；所述裂解的温度在500℃
‑
900℃之间；所述硅基复合材料中包括晶态硅或不包括晶态硅，在包括所述晶态硅的情况下，晶粒尺寸小于4nm。2.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述硅基复合材料具体包括：90wt％
‑
99.9wt％的所述硅基粉体材料和0.1wt％
‑
10wt％的所述碳纳米墙。3.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述硅基粉体材料包括：氧化亚硅、改性氧化亚硅、掺杂氧化亚硅或无定型硅合金中的一种或几种；所述碳纳米墙具体为软碳；所述有机气源包括：甲烷、乙炔、丙烯或丙烷中的一种或几种；所述芳香烃助剂包括：苯、甲苯、二甲苯、联苯、萘、蒽、菲或芘芳香烃中的一种或几种。4.根据权利要求1所述的硅基复合材料，其特征在于，所述碳纳米墙硅基复合材料的比表面积在3m2/g
‑
10m2/g之间。5.一种上述权利要求1
‑
4任一所述的硅基复合材料的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘明军，罗飞，
申请(专利权)人：溧阳天目先导电池材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：