纤维碳硅复合材料及其制造方法技术

提供碳硅复合物及其生产和其用途，所述碳硅复合物包括涂布有多孔互连硅的纳米纤维碳网络。实施方式包种复合材料，所述复合材料包括基于纳米多孔碳的支架和基于硅的材料。所述基于纳米多孔碳的支架包括含有纤维形态的孔结构，其中，所述基于硅的材料是包含在所述孔结构中。所述复合物在包括含有其的电能存储电极和装置等各种应用中具有实用性。极和装置等各种应用中具有实用性。极和装置等各种应用中具有实用性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纤维碳硅复合材料及其制造方法


[0001]本专利技术通常涉及基于纳米多孔碳的材料(nanoporous carbon
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based material)。更具体而言，其涉及适用于包含电化学反应的环境中的纤维复合材料，例如，作为锂离子电池内的电极材料。

技术介绍

[0002]基于锂的储电装置具有取代目前用于任何应用的设备的潜力。锂离子电池(LIB)由于其容量和其他考虑因素，是目前使用的基于铅的基电池系统的可行替代品。碳是基于锂的储电装置中所使用的主要材料中的一种。阴极通常是由锂金属(例如，钴、镍、锰)氧化物所形成，且阳极通常是由石墨所形成，其中，锂离子在充电(储能)期间插入石墨层内。然而，这种石墨阳极通常有低功率性能和有限容量的困扰。
[0003]据了解，与石墨(碳)相比，硅对锂具有更强的亲和力且在充电过程中能够比石墨存储更多的锂，理论上导致在LIB阳极侧的容量更高。相较于此，石墨与锂组合的理论容量为372mAh/g，而硅的理论容量为4200mAh/g。这些数字导致人们希望在阳极内布置尽可能多的硅。
[0004]除了硅之外，锡和其他电化学活性物质也基于其每单位重量存储大量锂的能力而提出。然而，例如硅的这些材料从根本上受限于其完全插入锂时发生的严重膨胀。当锂被去除时，膨胀和收缩会导致电极具有有限的循环寿命和低功率。因此，迄今为止的解决方案均为在碳电极中使用极少量的合金电化学改性剂，但这种方案并未赋予所需的锂容量增加。需要找到一种方法，来增加阳极复合物中的合金电化学改性剂含量，同时保持循环稳定性，以提高容量。已使用许多方法，包括纳米结构合金电化学改性剂，碳与合金电化学改性剂的掺合物，或使用真空或高温将合金电化学改性剂沉积到碳上。然而，这些工艺都没有证明可以组合出可扩展的工艺来产生所需的性质。
[0005]最近，人们已经致力于开发和表征碳气凝胶作为具有改进性能电极材料，以应用于储能设备，例如，锂离子电池(LIB)。气凝胶是固体材料，包括微孔(micro
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sized pore)和介孔(meso
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sized pore)的高度多孔网络。根据所使用的前体材料和所进行的加工，当气凝胶的密度约为0.05g/cc时，气凝胶的体积通常可以占体积的超过90％。气凝胶能够由无机材料和/或有机材料形成。当由有机材料如，例如，酚类、间苯二酚
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甲醛(RF)、间苯三酚糠醛(phloroglucinol furfuraldehyde)(PF)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺(PI)、聚氨酯(PU)、聚丁二烯、聚二环戊二烯及其前体或聚合衍生物形成时，所述气凝胶可以被碳化(例如，通过热解)而形成碳气凝胶，其能够具有彼此不同或重叠的性能(例如，孔体积、孔径分布、形态等)，这取决于所用的前体材料和方法。然而，在所有情况下，都存在基于材料和应用的某些缺陷，例如，低孔体积、宽孔径分布、低机械强度等。
[0006]因此，需要一种改进的纳米多孔碳材料，其包括功能形态和最佳孔结构，以作为电化学改性剂的主体以增加容量，同时解决上述至少一个问题。然而，考虑到在完成本专利技术时作为整体考虑的技术，如何克服现有技术的缺点对于本专利
的普通技术人员而言并非
显而易见。
[0007]尽管已经讨论了常规技术的某些方面以促进本专利技术的公开，但申请人决不放弃这些技术方面，并且预期所述要求保护的专利技术可以涵盖本文中讨论的一个或多个常规技术方面，尤其是与此处描述的创新方面的组合。
[0008]本专利技术可以解决以上讨论的本领域的一个或多个问题和缺陷。然而，预期本专利技术可以证明能够用于解决多个
中的其他问题和缺陷。因此，所要求保护的本专利技术不应该必要地解释为限于解决本文讨论的任何具体问题或缺陷。
[0009]在本文中，当引用或讨论文献、法令或知识条目时，该引用或讨论并非承认该文献、法令或知识条目或其任何组合是处于优先权日、是公开可获得的、是公众已知的、是公知常识的部分、或是以其他方式构成适用法律规定下的现有技术；或是已知与尝试解决本文所关注的任何问题有关。

技术实现思路

[0010]现在通过一种新颖的、有用的、且非显而易见的专利技术，满足对改进纳米多孔碳复合物的长期但迄今为止未满足的需求。
[0011]一般而言，所述技术针对碳硅复合物和形成碳硅复合物的方法。所述方法通常包括用含硅气体渗透基于碳的支架的孔结构，并将基于硅的材料沉积到孔结构内的表面上以形成碳硅复合物。所述碳硅复合物通常包括基于纳米多孔碳的支架，其包括包含在所述基于碳的支架的纤维结构内的基于硅的材料。
[0012]第一个一般方面涉及碳硅复合物。在示例性实施方式中，所述复合物包括复合材料。所述复合材料包括基于纳米多孔碳的支架和基于硅的材料。在示例性实施方式中，所述基于纳米多孔碳的支架包括孔结构，所述孔结构包括纤维形态(fibrillar morphology)，其中，所述基于硅的材料包含在所述基于纳米多孔碳的支架的孔结构中。例如，所述复合材料包括多孔互连的经硅涂布的纤维碳网络。对于另一实施例，所述复合材料包括涂布有多孔互连硅的纤维碳网络。对于又一实施例，所述复合材料包括含有经硅涂布的碳的纤维网络。
[0013]在某些实施方式中，基于纳米多孔碳的支架包括碳气凝胶。例如，基于纳米多孔碳的支架可包括聚酰亚胺衍生的碳气凝胶。基于纳米多孔碳的支架可呈现单块(monolith)形式或粉末形式。在一些示例性实施方式中，基于硅的材料是呈现分散在孔结构的表面上的纳米颗粒的形式。例如，纳米颗粒可具有小于约1μm的至少一个维度。对于另一实施例，纳米颗粒可具有在约5nm至约20nm的范围内的至少一个维度。在某些实施方式中，基于硅的材料可具有约10nm的至少一个维度。
[0014]在示例性实施方式中，基于硅的材料是呈现在孔结构的表面上的层的形式。例如，层的厚度可小于约1μm。对于另一实施例，层的厚度可在约5nm至约20nm的范围内。对于另一实施例，层的厚度可在约10nm的范围内。
[0015]在示例性实施方式中，基于纳米多孔碳的支架的孔结构包括小于30％的微孔、小于30％的大孔、大于50％的介孔和大于0.1cc/g的总孔体积。在一些具体实施方式中，基于纳米多孔碳的支架的孔结构包括小于20％的微孔、小于20％的大孔、大于70％的介孔和大于0.1cc/g的总孔体积。在一些实施方式中，基于纳米多孔碳的支架的孔结构包括小于10％
的微孔、小于10％的大孔、大于80％的介孔和大于0.1cc/g的总孔体积。
[0016]第二个一般方面提供制备碳硅复合物的方法。在示例性实施方式中，所述方法包括提供包含孔结构的基于纳米多孔碳的支架，所述孔结构包括纤维形态，并在含硅气体存在下在升高的温度加热所述基于纳米多孔碳的支架，以将硅浸渍(impregnate)在所述基于纳米多孔碳的支架的孔结构内。
[0017]在示例性实施方式中，基于纳米多孔碳的支架的孔结构内的经浸渍的硅是纳米尺寸的，且滞留于由所述纤维形态形成的孔内。在示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种碳硅复合物，包括：复合材料，包括基于纳米多孔碳的支架和基于硅的材料，所述基于纳米多孔碳的支架包括孔结构，所述孔结构包括纤维形态，其中，所述基于硅的材料包含在所述基于纳米多孔碳的支架的孔结构中。2.根据权利要求1所述的碳硅复合物，其中，所述基于纳米多孔碳的支架包括碳气凝胶。3.根据权利要求2所述的碳硅复合物，其中，所述基于纳米多孔碳的支架包括聚酰亚胺衍生的碳气凝胶。4.根据前述权利要求中任一项所述的碳硅复合物，其中，所述基于纳米多孔碳的支架呈现粉末的形式。5.根据前述权利要求中任一项所述的碳硅复合物，其中，所述基于硅的材料呈现分散在所述孔结构的表面上的纳米颗粒的形式。6.根据权利要求5所述的碳硅复合物，其中，所述纳米颗粒具有小于约1μm的至少一个维度。7.根据权利要求5所述的碳硅复合物，其中，所述纳米颗粒具有在约5nm至约20nm的范围内的至少一个维度。8.根据权利要求5所述的碳硅复合物，其中，所述纳米颗粒具有约10nm的至少一个维度。9.根据权利要求1至4中任一项所述的碳硅复合物，其中，所述基于硅的材料呈现在所述孔结构的表面上的层的形式。10.根据权利要求9所述的碳硅复合物，其中，所述层的厚度小于约1μm。11.根据权利要求9所述的碳硅复合物，其中，所述层的厚度在约5nm至约20nm的范围内。12.根据权利要求5所述的碳硅复合物，其中，所述层的厚度在约10nm的范围内。13.根据权利要求1所述的碳硅复合物，其中，所述孔结构包括小于30％的微孔、小于30％的大孔、大于50％的介孔和大于0.1cc/g的总孔体积。14.根据权利要求1所述的碳硅复合物，其中，所述孔结构包括小于20％的微孔、小于20％的大孔、大于70％的介孔和大于0.1cc/g的总孔体积。15.根据权利要求1所述的碳硅复合物，其中，所述孔结构包括小于10％的微孔、小于10％的大孔、大于80％的介孔和大于0.1cc/g的总孔体积。16.根据权利要求1所述的碳硅复合物，其中，所述复合材料包括多孔互连的经硅涂布的纤维碳网络。17.根据权利要求1所述的碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：N，
申请(专利权)人：亚斯朋空气凝胶公司，
类型：发明
国别省市：