一种金属掺杂硅碳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金属掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用，包括由内核和外壳组成的核壳结构，其中，所述内核包括金属和/或杂原子掺杂多孔碳以及纳米硅，所述外壳包括锂掺杂无定形碳，所述外壳占所述核壳结构的重量百分比不高于10wt％；本发明专利技术提升了多孔碳材料的储硅性能，进而提升硅碳复合材料的比容量性能，将本申请作为锂离子电池负极材料具有优异的功率性能以及首次效率，且本申请提供的制备方法简单有效，经济实用，易于规模产业化。易于规模产业化。易于规模产业化。

【技术实现步骤摘要】
一种金属掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料制备领域，具体涉及一种金属掺杂硅碳复合材料，本专利技术还涉及了该金属掺杂硅碳复合材料的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]硅碳复合材料以其能量密度高、材料来源广泛等优点而被应用于高能量密度的锂离子电池领域，但是其存在满电膨胀大、阻抗高等缺陷使其在使用过程中存在高温存储偏差及其膨胀大造成电池的后期跳水等风险。而目前降低膨胀的主要措施包括：采用纳米化、多孔结构及其采用硅晶粒小的纳米硅材料，降低充放电过程中材料膨胀。由于采用硅晶粒小的纳米硅材料，尺寸小(硅晶粒尺寸＜2nm),远低于硅氧材料中的硅晶粒尺寸(≈6nm),因而可以从根本上降低硅的膨胀。
[0003]然而本申请人发现目前采用硅烷裂解法制备出的纳米硅虽然具有低的硅晶粒，并沉积在多孔碳颗粒中，但是多孔碳颗粒自身由于电子导电率差造成其材料的倍率性能偏差，同时多孔碳自身的多孔结构虽然可以降低充放电过程中硅的膨胀，但是因其材料自身的电子导电率差会导致快充性能的降低。
[0004]为此，本申请人希望寻求技术方案来对以上技术问题进行改进。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种金属掺杂硅碳复合材料及其制备方法和应用，具有优异的功率性能以及首次效率，且本申请提供的制备方法简单有效，经济实用，易于规模产业化。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种金属掺杂硅碳复合材料，包括由内核和外壳组成的核壳结构，其中，所述内核包括金属和/或杂原子掺杂多孔碳以及纳米硅，所述外壳包括锂掺杂无定形碳，所述外壳占所述核壳结构的重量百分比不高于10wt％。
[0008]优选地，所述外壳占所述核壳结构的重量百分比为1
‑
5wt％。
[0009]优选地，所述内核中的金属采用银和/或铜；所述杂原子采用氮、硫、磷中的一种或任意几种。
[0010]优选地，在所述内核中，所述金属、多孔碳和纳米硅之间的质量比范围为1
‑
5：40
‑
60：40
‑
60；和/或所述杂原子、多孔碳和纳米硅之间的质量比范围为1
‑
5：40
‑
60：40
‑
60。
[0011]优选地，一种如上所述金属掺杂硅碳复合材料的制备方法，至少包括如下操作步骤：
[0012]S1)、将碳源、杂原子化合物和/或有机金属化合物混合均匀，然后在500
‑
800℃的温度条件下碳化至少1小时，得到掺杂多孔碳；
[0013]S2)、将步骤S1)得到的所述掺杂多孔碳转移至第一反应釜中，向所述第一反应釜内通入氯硅烷与惰性气体的混合气体，在300
‑
500℃的温度条件下通入所述混合气体至少1
小时，得到硅碳前驱体材料；
[0014]S3)、将步骤S2)得到的所述硅碳前驱体材料转移至第二反应釜中，将所述第二反应釜抽真空至10
‑
100Kpa，然后向所述第二反应釜内通入雾化气体，所述雾化气体沉积包覆在所述硅碳前驱体材料的表面，得到金属掺杂硅碳复合材料；其中，所述雾化气体由对盛装有所述外壳包覆溶液的腔体进行抽真空、加热得到，所述外壳包覆溶液至少包括锂盐、活化剂和有机溶剂；所述雾化气体的通入流量不低于10ml/分钟，沉积时间不低于10分钟。
[0015]优选地，在所述步骤S1)中，所述碳源和杂原子化合物之间的质量比为100：1
‑
5；和/或所述碳源和有机金属化合物之间的质量比为100：1
‑
5。
[0016]优选地，在所述步骤S1)中，所述碳源为酚醛树脂、糠醛树脂、脲醛树脂、双酚F型环氧树脂、双酚A型环氧树脂、双酚S环氧树脂中的一种或任意几种的混合；和/或所述杂原子化合物为尿素、三聚氰胺、硫脲、硫代乙酰胺、磷酸中的一种或任意几种的混合；和/或所述有机金属化合物为三氟乙酸银、硬脂酸银、苯甲酸银、二乙基二硫代氨基甲酸银、三氟甲烷磺酸银、8
‑
羟基喹啉铜、油酸铜、碳酸二羟铜、苯基乙酰基铜中的一种或任意几种的混合。
[0017]优选地，在所述步骤S2)中，在所述混合气体中氯硅烷与惰性气体的体积比为1
‑
5：10；和/或在向所述第一反应釜内通入混合气体之前，将所述第一反应釜抽真空至10
‑
100kpa，向所述第一反应釜内混合气体之后，保持所述第一反应釜的真空度为100
‑
1000kpa；和/或所述混合气体的通入流量为10
‑
50ml/分钟，通入时间为60
‑
300分钟。
[0018]优选地，在所述步骤S3)的外壳包覆溶液中，所述锂盐、活化剂和有机溶剂的质量比为1
‑
10：0.5
‑
2：100；和/或所述锂盐为硼酸锂、四硼酸锂、焦硼酸锂、偏硼酸锂、四氟硼酸锂、硬脂酸锂中的一种或任意几种的混合；所述活化剂为CCl3H、CCl2H2、CClH3中的一种或任意几种的混合；所述有机溶剂为碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)中的一种或任意几种的混合；对盛装有所述外壳包覆溶液的腔体抽真空至10
‑
100Kpa并加热至200
‑
500℃后得到所述雾化气体。
[0019]优选地，一种如上所述金属掺杂硅碳复合材料的应用，将所述金属掺杂硅碳复合材料作为制备电池极片的活性物质原料，优选作为锂离子电池负极极片的活性物质原料。
[0020]本申请一方面通过在多孔碳中掺杂杂原子和金属，依靠其金属银和/或铜来提升多孔碳材料的电子导电率，同时通过杂原子掺杂提升多孔碳材料表面的活性点，进而得以提升多孔碳材料的电子导电率及其丰富的活性点，有效提升了多孔碳材料的储硅性能，最终提升了硅碳复合材料的比容量性能；本申请另一方面通过在硅碳前驱体材料沉积呈雾化状态且含有含有锂盐和活化剂的外壳包覆溶液进行锂掺杂无定形碳的沉积，避免内核结构中硅的生长而造成硅晶粒的变大，且锂盐化合物包覆在硅碳前驱体材料的表面，当应用作为电池极片的活性物质原料时，在其应用电池的充放电过程中可以提供锂离子，进而降低了电池的不可逆容量、提升了电池的首次效率且改善了倍率性能，将本申请作为锂离子电池负极材料具有优异的功率性能以及首次效率，且本申请提供的制备方法简单有效，经济实用，易于规模产业化。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例1制备得到金属掺杂硅碳复合材料的SEM图；
[0022]图2是本专利技术具体实施方式下金属掺杂硅碳复合材料的制备步骤框图。
具体实施方式
[0023]本实施例提供了一种金属掺杂硅碳复合材料，包括由内核和外壳组成的核壳结构，其中，内核包括金属和/或杂原子掺杂多孔碳以及纳米硅，外壳包括锂掺杂无定形碳，外壳占核本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属掺杂硅碳复合材料，其特征在于，包括由内核和外壳组成的核壳结构，其中，所述内核包括金属和/或杂原子掺杂多孔碳以及纳米硅，所述外壳包括锂掺杂无定形碳，所述外壳占所述核壳结构的重量百分比不高于10wt％。2.根据权利要求1所述金属掺杂硅碳复合材料，其特征在于，所述外壳占所述核壳结构的重量百分比为1
‑
5wt％。3.根据权利要求1所述金属掺杂硅碳复合材料，其特征在于，所述内核中的金属采用银和/或铜；所述杂原子采用氮、硫、磷中的一种或任意几种。4.根据权利要求1所述金属掺杂硅碳复合材料，其特征在于，在所述内核中，所述金属、多孔碳和纳米硅之间的质量比范围为1
‑
5：40
‑
60：40
‑
60；和/或所述杂原子、多孔碳和纳米硅之间的质量比范围为1
‑
5：40
‑
60：40
‑
60。5.一种根据权利要求1
‑
4之一所述金属掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，至少包括如下操作步骤：S1)、将碳源、杂原子化合物和/或有机金属化合物混合均匀，然后在500
‑
800℃的温度条件下碳化至少1小时，得到掺杂多孔碳；S2)、将步骤S1)得到的所述掺杂多孔碳转移至第一反应釜中，向所述第一反应釜内通入氯硅烷与惰性气体的混合气体，在300
‑
500℃的温度条件下通入所述混合气体至少1小时，得到硅碳前驱体材料；S3)、将步骤S2)得到的所述硅碳前驱体材料转移至第二反应釜中，将所述第二反应釜抽真空至10
‑
100Kpa，然后向所述第二反应釜内通入雾化气体，所述雾化气体沉积包覆在所述硅碳前驱体材料的表面，得到金属掺杂硅碳复合材料；其中，所述雾化气体由对盛装有所述外壳包覆溶液的腔体进行抽真空、加热得到，所述外壳包覆溶液至少包括锂盐、活化剂和有机溶剂；所述雾化气体的通入流量不低于10ml/分钟，沉积时间不低于10分钟。6.根据权利要求5所述金属掺杂硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1)中，所述碳源和杂原子化合物之间的质量比为100：1
‑
5；和/或所述碳源和有机金属化合...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁伟涛，邢显博，刘登华，刘殿忠，高明亮，王树平，
申请(专利权)人：东营胜华盈创新材料有限公司胜华新材料集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：