一种硅碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，包括如下步骤：S1，将具有多孔结构的生物质材料进行碳化处理，得到具有多孔结构的碳前驱体；S2，将纳米级硅粉分散于溶剂中，得到硅分散液；S3，将碳前驱体浸润于硅分散液中，使得碳前驱体吸附硅分散液，固液分离，对固相物进行热处理，得到负载纳米硅的碳基体；S4，在负载纳米硅的碳基体表面包覆无定型碳层，得到硅碳复合材料。其能够解决现有硅碳复合材料分散不均匀以及分散工艺复杂、成本高的问题，同时还能解决现有硅负极材料因体积变化大，从而导致负极容量衰减过快，无法有效保证电池性能的问题，通过简单的重复步骤来增加硅碳复合材料中的硅含量。硅含量。硅含量。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池负极材料
，具体涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着近年来新能源汽车的快速发展，企业对动力电池的要求越来越高，锂离子电池由于具有比能量高、工作电压高和循环寿命长等优势，而成为当今新能源电池开发领域的研究热点。目前，商业化的锂离子电池负极材料主要是以具有稳定工作电压和良好循环性能的石墨类材料为主，但其理论容量较低(372mAh/g)，这限制了锂离子电池的长远发展，因此研发高容量负极材料具有重要意义。
[0003]相比于石墨材料，硅由于具有理论容量高(3579mAh/g，对于Si锂化到Li
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Si4)、嵌锂电位低(0.4V Vs Li/Li
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，即可防止锂枝晶的形成，又能保证电池具有高的工作电压)以及储量丰富等优势，被认为是理想的锂离子电池负极材料，成为最有希望替代当前石墨负极的下一代高能量密度的负极材料的候选者。由于硅材料的高嵌锂能力，硅负极材料在脱/嵌锂过程中硅存在严重的体积膨胀，这会导致电极材料粉化并从集流体上脱落。硅颗粒在硅碳中不规则的分布也会导致硅材料的团聚，在锂化过程中，团聚的硅材料膨胀严重，会造成SEI膜因会不断破碎重组，消耗大量活性Li
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，致使库伦效率降低，电池容量衰减，最终导致电池失效。
[0004]硅碳复合一种行之有效的通过碳基体材料限制硅材料嵌锂膨胀方法，具体实施包括掺混包覆、硅沉积于碳基体包覆、化学碳包覆和硅碳核壳结构包覆等，大部分方法无法量产实施，或者无法使硅碳混合均匀。
[0005]中国专利文献号为CN108054351A，专利名称为《一种锂离子电池、所用的硅碳负极材料及其制备方法》，直接将含有纳米硅粉或纳米氧化亚硅粉的浆料与微米级石墨粉料、煤焦油软沥青混捏混合、焦化、粉碎，再进行表面化学气相沉积处理后制备硅碳复合材料。该制备工艺路线繁琐，原料及工艺成本较高，化学气相沉积法具有操作复杂、条件要求苛刻和成本高的缺陷，从而不利于大规模的商业化应用。
[0006]中国专利文献号为CN113488640A，专利名称为《一种硅碳负极材料的制备方法》，采用廉价易得的生物质材料粉末与纳米硅粉末液相分散的方法，通过煅烧制备了硅碳复合材料，该方法虽然简单易于操控，但高浓度的纳米硅液相前驱体无法保证纳米硅充分分散，可能会导致硅团聚；简单地液相分散并抽滤，无法保证硅材料充分负载到碳材料上，使材料利用率低，生产成本增高。
[0007]鉴于目前技术和制备工艺的不足，研究开发过程简单、便于操作控制、材料利用率高、成本低廉的硅碳复合工艺具有重要意义，同时合成的硅碳材料还应具备高容量、高首效、低膨胀和长寿命等特性。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，其能够解决现有硅碳复合材料分散不均匀以及分散工艺复杂、成本高的问题，同时还能解决现有硅负极材料因体积变化大，从而导致负极容量衰减过快，无法有效保证电池性能的问题，通过简单的重复步骤来增加硅碳复合材料中的硅含量，满足不同生产需求。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]第一方面，本专利技术提供了一种硅碳复合材料的制备方法法，其包括如下步骤：
[0011]S1，将具有多孔结构的生物质材料进行碳化处理，得到具有多孔结构的碳前驱体；
[0012]S2，将纳米级硅粉分散于溶剂中，得到硅分散液；
[0013]S3，将碳前驱体浸润于硅分散液中，使得碳前驱体吸附硅分散液，然后进行固液分离，对固相物进行热处理，得到负载纳米硅的碳基体；
[0014]S4，在负载纳米硅的碳基体表面包覆无定型碳层，得到硅碳复合材料。
[0015]进一步，S1中的生物质材料为木材、竹材、椰壳、秸秆、稻壳、木料、甘蔗渣、坚果壳中的一种或多种，生物质材料的平均孔径为1～30μm，生物质材料的平均粒径为500～5000μm。
[0016]进一步，S2中的溶剂为乙醇、甲苯、异丙醇、乙腈、聚乙烯吡咯烷酮和二甲基亚砜中的一种或多种，且采用超声分散将将纳米级硅粉分散于所述溶剂中。
[0017]进一步，S3中采用负压浸润方式将碳前驱体浸润于硅分散液中，通过调控浸润次数，以调节硅碳复合材料中的硅含量。
[0018]进一步，S3中采用筛分法进行固液分离，筛孔孔径为100～500μm，筛分得到的液相物能够重复使用。
[0019]进一步，S4具体为：对负载纳米硅的碳基体进行球磨干燥，然后移至管式炉中进行气相碳包覆，在负载纳米硅的碳基体表面包覆无定型碳层，得到硅碳复合材料。
[0020]进一步，球磨时间为1～5h，球/固质量比为10～20:1，球磨转速为200～1000r/min，球磨干燥后的物料的平均粒径为4～20μm；气相碳包覆具体为：将球磨干燥后的物料转移到管式炉中，然后通入惰性气体排除管式炉内空气，再通入碳源气体，并在温度为700～1100℃的条件下保持1～6h，所述碳源气体为甲烷、乙炔、乙烷中的一种。
[0021]进一步，按重量百分比计，负载纳米硅的碳基体包括70～95wt％的碳基体和5～30wt％的纳米硅。低的硅含量可以减小硅碳嵌锂膨胀，增加硅碳材料稳定性，但硅碳克容量较小；高的硅含量可以使硅碳克容量增加，但硅碳嵌锂膨胀大，影响硅碳材料稳定性，综合考虑，限定纳米硅的重量百分比为5～30wt％。
[0022]第二方面，本专利技术提供了一种硅碳复合材料，采用上述的硅碳复合材料的制备方法法制得，所述硅碳复合材料包括多孔碳基体、均匀分布于多孔碳基体内的纳米硅以及包覆于多孔碳基体外表面的无定型碳层。
[0023]第三方面，本专利技术提供了一种上述的硅碳复合材料的制备方法法制得的硅碳复合材料在电池中的应用。
[0024]本专利技术的有益效果：
[0025]1、本专利技术将碳前驱体浸润于硅分散液中，使得碳前驱体吸附硅分散液，随后进行固液分离，并对固相物进行热处理，以去除溶剂，使纳米硅颗粒附着在固态碳基体前驱体
上，得到分散均匀的硅碳材料前驱体，再进行无定型碳包覆，从而使得硅材料均匀分布在碳基体表面及内部多孔结构中，使硅材料在嵌脱锂过程中大部分的体积变化被活性碳束缚，大大减小了复合材料向外发生体积膨胀。
[0026]2、本专利技术通过对具有多孔结构的生物质材料进行碳化处理，得到具有多孔结构的碳前驱体，生物质材料来源广泛，储量丰富，可再生，对环境友好，价格低廉。
[0027]3、本专利技术浸润方式分散纳米硅，即将碳前驱体浸润于硅分散液中，使得纳米硅能够均匀分散于碳前驱体表面及内部多孔结构中，避免了使用刻蚀、气相沉积等昂贵方法，具有工艺简单、成本低廉、有利于大规模商业化应用的优点；此外，本专利技术提供的制备方法法能够通过多次重复的方式来提升硅碳复合材料中的硅含量，操作便捷，实现了硅含量的有效调节。
[0028]4、本专利技术所述碳硅复合材料用于制成锂电池的负极材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，将具有多孔结构的生物质材料进行碳化处理，得到具有多孔结构的碳前驱体；S2，将纳米级硅粉分散于溶剂中，得到硅分散液；S3，将碳前驱体浸润于硅分散液中，使得碳前驱体吸附硅分散液，然后进行固液分离，对固相物进行热处理，得到负载纳米硅的碳基体；S4，在负载纳米硅的碳基体表面包覆无定型碳层，得到硅碳复合材料。2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：S1中的生物质材料为木材、竹材、椰壳、秸秆、稻壳、木料、甘蔗渣、坚果壳中的一种或多种，生物质材料的平均孔径为1~30 μm，生物质材料的平均粒径为500~5000μm。3.根据权利要求1或2所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：S2中的溶剂为乙醇、甲苯、异丙醇、乙腈、聚乙烯吡咯烷酮和二甲基亚砜中的一种或多种，且采用超声分散将将纳米级硅粉分散于所述溶剂中。4.根据权利要求1或2所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：S3中采用负压浸润方式将碳前驱体浸润于硅分散液中，通过调控浸润次数，以调节硅碳复合材料中的硅含量。5.根据权利要求1或2所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：S3中采用筛分法进行固液分离，筛孔孔径为100~500...

【专利技术属性】
技术研发人员：张九州，王钢，郑豪，宁婧，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：