一种双壳层内部多孔的硅碳复合材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种双壳层内部多孔的硅碳复合材料及其制备和应用

【技术实现步骤摘要】
一种双壳层内部多孔的硅碳复合材料及其制备和应用


[0001]本专利技术属于能源储能材料和锂离子电池
，涉及一种硅碳复合材料及其制备和应用，特别涉及一种双壳层内部多孔的硅碳复合材料及其制备和应用
。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，化石燃料的使用越来越多，从而引起了全球能源危机，此外化石能源的燃料会产生大量的二氧化碳气体，也会加剧温室效应
。
由此可能替代化石能源的可再生能源成为研究热门，由于太阳能
、
风能等可再生能源具有时效性，因此能源储存是一个关键性的问题
。
锂离子电池具有高效
、
能量密度高
、
寿命长等优点，广泛应用于移动式电子设备
、
电动汽车
、
储能设备中
。
随着电池行业爆发式增长，人们对高能量密度的储能设备需求越来越高，锂离子电池需要不断地提升其能量密度才能满足人们的需求
。
[0003]锂离子电池主要由正极
、
负极
、
隔膜和电解液组成，其中负极主要是用的是石墨材料，石墨的理论比容量低，只有～
372mAh/g
，目前石墨的的理论容量已经开发到了极致，而硅基负极材料的理论容量是石墨的十倍以上，应用前景非常广泛，被认为是能够代替石墨负极的下一代负极材料
。
然而硅材料导电性相对较差，而且硅在嵌脱锂过程中会发生巨大的体积变化
(
～
300
％
)
，这种体积变化会导致硅材料的粉化，甚至脱离集流体
。
[0004]为了解决这一问题，研究者通常使用纳米化
、
多孔结构
、
复合结构等方法提升硅基负极的电化学性能
。
其中多孔硅材料能够有效缓解体积膨胀问题
(Adv.Energy Mater
，
2012,2,878
‑
883)
，
Yan(Adv.Funct.Mater,25(43),6701
‑
6709.)
通过金属银沉积的金属辅助法制备三维大孔结构，循环性能优异
。Li(Nat.Commun,2014,5,4105.)
使用重掺杂的单晶晶片，通过电化学刻蚀制备丰富孔洞的海绵状结构，超声波破碎后形成微米级颗粒，最后通过
CVD
碳包覆后循环性能十分优异
。
[0005]但这些传统造孔方法大多制备出的是外部孔洞，外部孔洞的比表面积的较大，在循环过程中形成的固体电解质膜
(SEI)
会更多，降低电池首效，而且大多数方法制备过程多孔结构中会使用
HF、H2O2等对环境不友好的刻蚀剂，对生态环境有巨大伤害
。
本领域的技术人员长期致力于开发一种绿色
、
经济
、
首效更高的三维多孔结构的硅基负极材料
。

技术实现思路

[0006]为了解决上述多孔硅材料的比表面积大
、
首次库伦效率
(ICE)
低
、
制备方法复杂的技术问题，本专利技术所要解决的第一技术问题是提供一种双壳层内部多孔的硅碳复合材料，以改善锂离子电池的容量
、
循环性能等电化学性能，尤其是改善硅碳复合材料首次库伦效率
(ICE)
低的问题
。
[0007]本专利技术所要解决的第二个技术问题是提供一种绿色
、
简单
、
经济
、
可产业化
、
具有良好商用性前景的一种双壳层内部多孔的硅碳复合材料的制备方法
。
[0008]本专利技术所要解决的第三个技术问题是提供所述双壳层内部多孔的硅碳复合材料在锂离子电池中的应用
。
[0009]本专利技术所要解决的第四个技术问题是提供一种基于双壳层内部多孔的硅碳复合材料的锂离子电池
。
[0010]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0011]第一方面，本专利技术提供了一种双壳层内部多孔的硅碳复合材料，所述双壳层内部多孔的硅碳复合材料由平均尺寸在
10
‑
300nm
之间的多孔硅和沉积在多孔硅表面的厚度为1‑
20nm
的碳层组成，所述多孔硅由内部具有多孔结构的纳米硅和包覆在纳米硅表面的厚度为3‑
30nm
的
SiO
x
层组成，所述的
SiO
x
层无孔洞，其中0＜
x≤2
；
[0012]所述双壳层内部多孔的硅碳复合材料中，硅
、
氧
、
碳元素的原子占比分别为
40
‑
70
％
、10
‑
30
％
、20
‑
40
％
。
[0013]作为优选，所述多孔硅的平均尺寸在
30
‑
200nm
之间，更优选在
50
‑
150nm
之间
。
[0014]作为优选，所述
SiO
x
层厚度为5‑
15nm
，所述碳层厚度为4‑
7nm。
[0015]作为优选，所述双壳层内部多孔的硅碳复合材料中，硅
、
氧
、
碳元素的原子占比分别为
40
‑
55
％
、10
‑
30
％
、30
‑
40
％
。
[0016]本专利技术所述的双壳层内部多孔的硅碳复合材料，多孔硅内部由于纳米硅的内部多孔结构有效地缓解了硅在嵌锂过程中的体积膨胀，且相比于外部多孔的结构，其内部多孔的结构的比表面积小，形成更少的固体电解质膜
(SEI)
，进而提升了电池首次充放电效率
(ICE)
；多孔硅外表面的
SiO
x
层在首次充放电过程中形成不可逆相，可以作为一层保护层，有效缓解硅材料的体积膨胀，防止内部硅在嵌脱锂过程中颗粒产生裂纹甚至粉化，能够提升循环稳定性；外层的碳层可以增加材料的导电性，也可以防止电解液进入到多孔硅表面，进而防止产生更多的副反应，提升循环稳定性
。
碳层可以提高材料导电率，也可以吸收硅的体积膨胀时的应力，提高材料循环性能和倍率性能
。
[0017]第二方面，本专利技术还提供了一种双壳层内部多孔的硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0018](1)
将晶型为单晶的平均尺寸在
10
‑
300nm
之间的纳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种双壳层内部多孔的硅碳复合材料，其特征在于：所述双壳层内部多孔的硅碳复合材料由平均尺寸在
10
‑
300nm
之间的多孔硅和沉积在多孔硅表面的厚度为1‑
20nm
的碳层组成，所述多孔硅由内部具有多孔结构的纳米硅和包覆在纳米硅表面的厚度为3‑
30nm
的
SiO
x
层组成，所述的
SiO
x
层无孔洞，其中0＜
x≤2
；所述双壳层内部多孔的硅碳复合材料中，硅
、
氧
、
碳元素的原子占比分别为
40
‑
70
％
、10
‑
30
％
、20
‑
40
％
。2.
如权利要求1所述的双壳层内部多孔的硅碳复合材料，其特征在于：所述
SiO
x
层厚度为5‑
15nm
，所述碳层厚度为4‑
7nm。3.
如权利要求1所述的双壳层内部多孔的硅碳复合材料，其特征在于：所述双壳层内部多孔的硅碳复合材料中，硅
、
氧
、
碳元素的原子占比分别为
40
‑
55
％
、10
‑
30
％
、30
‑
40
％
。4.
如权利要求1‑3之一所述的双壳层内部多孔的硅碳复合材料，其特征在于：所述多孔硅的平均尺寸在
30
‑
200nm
之间
。5.
如权利要求4所述的双壳层内部多孔的硅碳复合材料，其特征在于：所述多孔硅的平均尺寸在
50

【专利技术属性】
技术研发人员：吴昊，文鸿，李峰辉，王琛，王连邦，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：