硅基负极材料及制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及锂电池材料领用，具体涉及一种硅基负极材料及制备方法和应用，所述方法包括如下步骤：S1，采用化学气相沉积法在硅基活性物质表面包覆无定形碳层，得到前驱材料；S2，采用原子层沉积法在前驱材料表面包覆氧化铝层，得到硅基负极材料。其结合原子层沉积方法以及化学气相沉积方法实现了多层核壳结构，有效地提高硅基负极材料的导电性以及表面稳定性。提高硅基负极材料的导电性以及表面稳定性。提高硅基负极材料的导电性以及表面稳定性。

【技术实现步骤摘要】
硅基负极材料及制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂电池材料领用，具体涉及一种硅基负极材料及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]为了解决能源危机、维持生态平衡以及满足日益增长的能源需求，各种能源存储系统应运而生。其中电化学储能因其寿命长、成本低、技术成熟等优势，已经进入了商业化阶段。硅负极因其超高容量、丰富性和低成本等优势被认为是石墨负极最有可能的替代品之一。由于硅基材料在锂化过程中会发生体积膨胀，从而导致硅基材料粉化、电极崩塌导致活性物质损失，其次，硅负极表面的SEI不稳定，其不断破坏重构导致电解液的损耗，从而造成电池容量的快速衰减，使得锂电池的首次效率和克容量降低，寿命有限。
[0003]专利CN115101741A中具体公开了石墨烯包覆硅碳复合材料的构成和制备，该复合材料有限地改善了硅基材料的循环性能以及寿命。同时当前制备碳层的工艺较为复杂且成本较高，无法精确控制碳层的厚度，不利于材料产业化；另外碳包覆层与硅材料界面相容性较差，膨胀所产生的应力会导致其复合界面剥离，导致电化学性能降低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种硅基负极材料及制备方法和应用，其结合原子层沉积方法以及化学气相沉积方法实现了多层核壳结构，有效地提高硅基负极材料的导电性以及表面稳定性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种硅基负极材料，包括硅基活性物质、采用化学气相沉积法包覆于硅基活性物质表面的无定形碳层以及采用原子层沉积法包覆于无定形碳层表面的氧化铝层。
[0007]第二方面，本专利技术提供了一种硅基负极材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0008]S1，采用化学气相沉积法在硅基活性物质表面包覆无定形碳层，得到前驱材料；
[0009]S2，采用原子层沉积法在前驱材料表面包覆氧化铝层，得到硅基负极材料。
[0010]进一步，S1具体为：将硅基活性物质置于管式炉中，通入碳源气体，设定包覆温度和包覆时间，得到表面包覆无定形碳层的前驱材料。
[0011]进一步，所述碳源气体为烷烃或炔烃。
[0012]进一步，包覆温度为100～500℃，包覆时间为1～3h。
[0013]进一步，S2具体为：将S1得到的前驱材料置于沉积室中，通入循环冷却水，通入氮气并设置氮气流速，设定脉冲时间以及铝源和氧源的循环周期，得到硅基负极材料。
[0014]进一步，以三甲基铝为铝源，以H2O为氧源。
[0015]进一步，所述铝源和氧源在温度为100～200℃的条件下循环100～400圈。
[0016]进一步，所述氮气流速为20～30ssm。
[0017]第三方面，本专利技术提供了一种上述的硅基负极材料或上述的硅基负极材料的制备
方法制得的硅基负极材料在锂离子电池中的应用。
[0018]本专利技术的有益效果：硅基活性物质表面的包覆无定形碳层具有微孔等结构缺陷，能够实现锂离子在包覆层脱嵌和插入，提高负极材料导电性；另一方面无定形碳结构并不会影响硅负极材料的结构和克容量发挥。包覆的氧化铝层能够有效降低锂离子的扩散阻力，有效防止电极与电解液直接接触，同时可以作为人工SEI膜，可提高硅负极材料的循环稳定性；另一方面氧化铝层机械强度高，能够承受硅材料体积膨胀所导致的机械应力。
[0019]基于本专利技术所述硅基负极材料制备的锂离子电池在25℃温度下，0.005～1.5V下0.1C首效为91
‑
94％，0.5C下循环300周容量保持率为90
‑
94％有效的提升硅负极的导电性、稳定性。
[0020]基于本专利技术所述硅基负极材料制备的锂离子电池相比于常规硅基材料制备的全电池，循环过程中，负极活性物质的膨胀得到了有效地抑制，从而为发展高比能、长寿命新一代电池提供了新的发展方向。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。
[0022]图1为本专利技术所述硅基负极材料的截面示意图。
[0023]图中，1—硅基活性物质，2—无定形碳层，3—氧化铝层。
具体实施方式
[0024]以下将参照附图和优选实施例来说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本专利技术，而不是为了限制本专利技术的保护范围。
[0025]需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，图式中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0026]实施例一，一种硅基负极材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0027]S1，采用化学气相沉积法在硅基活性物质表面包覆无定形碳层，得到前驱材料。具体为：将50g纳米硅材料放置于坩埚中，再将坩埚放置于管式炉中，加热区温度设置为200℃，通入气流量为60mL/min的甲烷作为碳源、40mL/min的氩气作为惰性气氛，待反应1h后，反应结束得到Si@C复合材料即前驱材料。
[0028]S2，采用原子层沉积法在前驱材料表面包覆氧化铝层，得到硅基负极材料。具体为：将S1中的产物放入ALD的实验腔体中央，通入循环冷却水，通入流速为20ssm的氮气，设置反应温度为200℃，选取三甲基铝作为铝源，H2O作为氧源。在温度为200℃的条件下对Si@C表面进行100次Al2O3的ALD循环，反应结束后得到Si@C@Al2O3即硅基负极材料。
[0029]参见图1，制得的硅基负极材料包括硅基活性物质1、采用化学气相沉积法包覆于硅基活性物质1表面的无定形碳层2以及采用原子层沉积法包覆于无定形碳层2表面的氧化铝层3。
[0030]实施例二，一种硅基负极材料的制备方法，其包括如下步骤：
[0031]S1，采用化学气相沉积法在硅基活性物质表面包覆无定形碳层，得到前驱材料。具体为：将50g纳米硅材料放置于坩埚中，再将坩埚放置于管式炉中，加热区温度设置为400℃，通入气流量为40mL/min的甲烷作为碳源、60mL/min的氩气作为惰性气氛，待反应3h后，反应结束得到Si@C复合材料即前驱材料。
[0032]S2，采用原子层沉积法在前驱材料表面包覆氧化铝层，得到硅基负极材料。具体为：将S1中的产物放入ALD的实验腔体中央，通入循环冷却水，通入流速为20ssm的氮气，设置反应温度为200℃，选取三甲基铝作为铝源，H2O作为氧源。在温度为200℃的条件下对Si@C表面进行400次Al2O3的ALD循本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基负极材料，其特征在于：包括硅基活性物质、采用化学气相沉积法包覆于硅基活性物质表面的无定形碳层以及采用原子层沉积法包覆于无定形碳层表面的氧化铝层。2.一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，采用化学气相沉积法在硅基活性物质表面包覆无定形碳层，得到前驱材料；S2，采用原子层沉积法在前驱材料表面包覆氧化铝层，得到硅基负极材料。3.根据权利要求2所述的硅基负极材料的制备方法，其特征在于，S1具体为：将硅基活性物质置于管式炉中，通入碳源气体，设定包覆温度和包覆时间，得到表面包覆无定形碳层的前驱材料。4.根据权利要求3所述的硅基负极材料的制备方法，其特征在于：所述碳源气体为烷烃或炔烃。5.根据权利要求3所述的硅基负极材料的制备方法，其特征在于：包覆温度为100~...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁婧，张九州，杨冠明，郑豪，牟丽莎，
申请(专利权)人：深蓝汽车科技有限公司，
类型：发明
国别省市：