纳米硅氧碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种纳米硅氧碳复合材料、其制备方法、负极和电化学装置，涉及电池材料技术领域。所述纳米硅氧碳复合材料包括多孔炭骨架、硅纳米粒子和SiO

【技术实现步骤摘要】
纳米硅氧碳复合材料及其制备方法和应用
[0001]本申请以申请日为2022年01月31日、申请号为202210114895.6、专利技术名称为“纳米硅氧碳复合材料及其制备方法和应用”的中国专利技术专利申请为在先申请要求部分优先权。


[0002]本专利技术涉及电池材料
，具体而言，涉及纳米硅氧碳复合材料、其制备方法、负极和电化学装置。

技术介绍

[0003]锂离子电池在当今人类的生产生活中发挥着越来越重要的作用，其负极材料的性能如容量、首次库仑效率、循环性能等在很大程度上影响着电池的容量、能量密度和使用寿命。传统的锂离子电池负极通常以碳材料作为活性成分，尤以石墨为典型，基于石墨的层间嵌锂机理，其理论克容量仅为372mAh/g，目前石墨负极的克容量已接近理论容量，这使得电池整体能量密度的提高受到较大的局限。因此有必要开发多种嵌锂机理的负极材料。其中，合金化嵌锂机理通常可以实现较大的嵌锂容量，如硅材料，其在嵌锂过程中形成锂硅合金Li
x
Si，x最高可达4.4，对应的硅负极理论容量达到4200mAh/g。此外，硅基材料具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.纳米硅氧碳复合材料，其特征在于，所述纳米硅氧碳复合材料包括多孔炭骨架、硅纳米粒子和SiO
δ
(0<δ≤2)，所述硅纳米粒子由所述SiO
δ
的网络分隔和/或包裹，所述硅纳米粒子和所述SiO
δ
分布在所述多孔炭骨架的表面和/或孔道内，所述多孔炭骨架与硅纳米粒子之间通过C
‑
O
‑
Si键相连接。2.根据权利要求1所述的纳米硅氧碳复合材料，其特征在于，对所述纳米硅氧碳复合材料的XPS测试高分辨Si 2p谱进行去卷积分峰分析的结果包括，结合能峰值位于103
±
0.5eV的Si
‑
O的峰面积与结合能峰值位于99
±
0.5eV的Si
‑
Si的峰面积之比为0.5～2，优选为0.8～1.5；结合能峰值位于100.5
±
0.5eV的Si
‑
C的峰面积与结合能峰值位于99
±
0.5eV的Si
‑
Si的峰面积之比为0.01～1，优选为0.01～0.5。3.根据权利要求1所述的纳米硅氧碳复合材料，其特征在于，所述纳米硅氧碳复合材料中硅元素的含量为25～75wt％，氧元素的含量为0.5～10wt％；优选地，硅元素的含量为30～65wt％，碳元素的含量为30～65wt％，氧元素的含量为0.5～5wt％，其它元素的含量为0～5wt％。4.根据权利要求1所述的纳米硅氧碳复合材料，其特征在于，所述纳米硅氧碳复合材料的N2吸附BET比表面积为0.01～10m2/g，按照N2分压大于0.999处点的吸附量测得的总孔容为0.001～0.05cm3/g。5.根据权利要求1所述的纳米硅氧碳复合材料，其特征在于，所述纳米硅氧碳复合材料的N2吸附BET比表面积为10～75m2/g，按照N2分压大于0.999处点的吸附量测得的总孔容为0.05～0.3cm3/g。6.根据权利要求1所述的纳米硅氧碳复合材料，其特征在于，所述纳米硅氧碳复合材料中多孔炭骨架孔结构中2～10nm孔体积占总孔体积的比例大于50％，优选地，所述纳米硅氧碳复合材料中多孔炭骨架孔结构中2～10nm孔体积占总孔体积的比例大于80％。7.根据权利要求1所述的纳米硅氧碳复合材料，其特征在于，所述硅纳米粒子包括硅晶粒和/或非晶硅，优选硅晶粒尺寸小于5nm，进一步优选硅晶粒的尺寸小于2nm。8.根据权利要求1所述的纳米硅氧碳复合材料，其特征在于，所述纳米硅氧碳复合材料还包括包覆层，所述包覆层包括固体电解质和/或导电聚合物。9.如权利要求1
‑
8中任一项所述纳米硅氧碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：步骤S1，将碳前驱体和造孔剂混合炭化后形成多孔炭骨架材料，并对其进行破碎和氧化处理，得到含表面氧化层的多孔炭骨架；步骤S2，将步骤S1所得含表面氧化层的多孔炭骨架抽真空，将含硅前体和含氧前体通入放置有所述含表面氧化层的多孔炭骨架的反应炉中，并与所述含表面氧化层的多孔炭骨架接触，使硅与含氧物质分散沉积到多孔炭骨架的表面和/或孔道内；并对所得材料进行破碎整形，得到纳米硅氧碳复合材料1；步骤S3，对步骤S2所得纳米硅氧碳复合材料1然后进行深度氧化处理，得到纳米硅氧碳复合材料。10.根据权利要求9所述的纳米硅氧碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述含表面氧化层的多孔炭骨架的粒径为5～50μm，所述含表面氧化层的多孔炭骨架的比表面积为50～2000m2/g、孔容为0.1～3.0cm3/g；所述含表面氧化层的多孔炭骨架的孔结
构中微孔孔容在总孔容中的比例为1～20％，介孔孔容在总孔容中的比例为40～90％，大孔孔容在总孔容中的比例为0～10％；所述含表面氧化层的多孔炭骨架的孔结构中2～10nm孔体积占总孔体积的比例大于50％，优选地，2～10nm孔体积占总孔体积的比例大于80％；和/或所述步骤S2具体包括将步骤S1所述含表面氧化层的多孔炭骨架抽真空至真空度低于10
‑2Pa，优选低于10
‑6Pa，将含硅前体和含氧前体通入放置有所述含表面氧化层的多孔炭骨架的反应炉中，并在150～700℃下与所述含表面氧化层的多孔炭骨架接触5～100h，使硅与含氧物质分散沉积到多孔炭骨架的表面和/或孔道内；并对所得材料进行破碎整形，得到中位粒径为2～12μm的纳米硅氧碳复合材料1；和/或所述步骤S3中所述深度氧化处理包括将纳米硅氧碳复合材料1与包含氧化性物质的溶液和/或气体于0～400℃接触0.5～12h。11.根据权利要求9所述的纳米硅氧碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中多孔炭骨架材料由碳前驱体与造孔剂的均匀混合物共同炭化形成；所述碳前驱体选自葡萄糖、果糖、蔗糖、麦牙糖、乳糖、环糊精、淀粉、糖原、纤维素、半纤维素、木质素、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、热塑性酚醛树脂、热固性酚醛树脂、聚甲醛树脂、脲醛树脂、糠醛树脂、糠酮树脂、丙烯酸树脂、聚酰胺、聚酰亚胺、沥青中的一种或多种；所述造孔剂选自十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、油酸、油胺、聚环氧乙烷
‑
聚环氧丙烷
‑
聚环氧乙烷三嵌段共聚物、柠檬酸、苹果酸、琥珀酸、NH4HCO3、(NH4)2CO3、HNO3、H2SO4、LiOH、NaOH、KOH等中的一种或多种，优选地，所述聚环氧乙烷
‑
聚环氧丙烷
‑
聚环氧乙烷三嵌段共聚物选自P123、F127和/或F108；优选地，所述碳前驱体与造孔剂的混合采用湿法球磨和/或干法球磨混合；优选地，碳前驱体与造孔剂混合后先进行预稳定化，再进行炭化；预稳定化在氧化性气氛中进行，温度为100～300℃，时间为0.1～48h；炭化在惰性气体中进行，温度为600～1800℃、时间为0.5～10h，进一步优选炭化的温度为800～1500℃、时间为2～5h。12.根据权利要求9所述的纳米硅氧碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中对多孔炭骨架材料的氧化处理方法包括液相氧化和/或气相氧化；优选地，所述液相氧化的步骤为，将多孔炭骨架材料置于含氧化合物和/或含氧化合物的水和/或乙醇溶液中，超声分散0.5～2h后，于0～50℃搅拌0.5～12h，过滤和/或离心使固液分离，用去离子水和/或乙醇多次洗涤固体，并将所得固体进行真空干燥和焙烧，所述含氧化合物选自HNO3、H2SO4、乙酸、丙酸、丁醇、丁酸、丁二酸、苹果酸、柠檬酸中的任意一种或多种；优选地，所述气相氧化的步骤为，将多孔炭骨架...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
申请(专利权)人：兰溪致德新能源材料有限公司，
类型：发明
国别省市：