一种多层碳包覆氧化亚硅复合材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种多层碳包覆氧化亚硅复合材料及其制备方法和应用

【技术实现步骤摘要】
一种多层碳包覆氧化亚硅复合材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种锂离子电池负极材料，特别涉及一种多层包覆氧化亚硅复合材料，还涉及其制备方法以及多层包覆氧化亚硅复合材料作为锂离子电池负极材料的应用，属于锂电池材料

。

技术介绍

[0002]在新能源汽车，航空航天及军事等领域，由于使用环境较为苛刻，通常需要电池可满足
‑
40℃
甚至更低温的运行要求
。
因此，开发锂离子电池负极用的低温材料迫在眉睫
。
[0003]氧化亚硅负极在常温下与锂合金化，理论克容量高达
1965
～
4200mAh/g
，是目前石墨类负极材料的5～
10
倍，且不存在析锂隐患，安全性好于石墨类负极材料，且储量丰富，成本低廉等优点，是最具潜力的新一代锂电池用负极材料
。
[0004]但是氧化亚硅负极材料
‑
40℃
的环境下离子电导率和电子电导率下降严重，导致低温条件下的容量衰减很严重，电池的电化学性能下降，尤其是影响放电容量和循环性能，极大的限制了氧化亚硅负极用的锂离子电池在寒冷地域的应用和推广
。
[0005]据研究发现，无定形碳包覆可明显改善氧化亚硅负极材料的低温性能，理论上来说，在氧化亚硅材料表面包覆多层无定形碳能够更为有效的改善氧化亚硅负极的低温性能，但是无定形碳层内部的碳原子之间以共价键的形式结合起来，形成单键
、
双键或者三键，原子之间结合力强，结构非常稳定，从而导致不同碳层之间无法形成稳定的共价键结合，造成多层碳包覆十分困难，稳定性较差
。

技术实现思路

[0006]为了解决上述现有技术存在的缺陷和改进需求，本专利技术的第一个目的是在于提供一种多层碳包覆氧化亚硅复合材料，该复合材料对氧化亚硅采用多层不同结构的碳材料进行包覆改性，其内部碳包覆层为具有多孔结构的石墨化碳，具有导电性好
、
孔隙率高
、
传导通道多等特点，利于电子和离子自由在碳层间移动，而外部碳包覆层为不定形碳，其与电解液的相容性好，可有效防止大分子有机溶剂的共嵌入，抑制石墨化碳层的脱落，减少副反应的发生，而碳层与碳层之间通过共价键固定，稳定性好，整个复合材料表现出良好的电化学性能和低温性能，满足锂离子电池的低温下使用要求
。
[0007]本专利技术的第二个目的是在于提供一种多层碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法，该制备方法过程简单
、
可操作性高
、
生产成本低，适用于规模化生产
。
[0008]本专利技术的第三个目的是在于提供一种多层碳包覆氧化亚硅复合材料作为锂离子电池负极材料的应用，能明显改善锂离子电池的电化学性能，尤其是低温性能
。
[0009]为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种多层碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法，其包括以下步骤：
[0010]1)
将氧化亚硅粉末和有机碳源混匀后，加入浓硝酸进行氧化处理，得到氧化碳源
@
氧化亚硅；将氧化碳源
@
氧化亚硅在含二氧化碳的气氛下进行活化处理，得到多孔碳
@
氧化
亚硅；将多孔碳
@
氧化亚硅进行石墨化处理，得到多孔石墨化碳
@
氧化亚硅；
[0011]2)
将多孔石墨化碳
@
氧化亚硅与有机碳源混合后，重复至少1次步骤
1)
的氧化处理
、
活化处理和石墨化处理，得到多层多孔石墨化碳
@
氧化亚硅；
[0012]3)
将多层多孔石墨化碳
@
氧化亚硅通过气相沉积在其表面生成热解碳层，即得
。
[0013]本专利技术的多层碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法，先以有机碳源为原料，经过浓硝酸氧化处理和二氧化碳活化处理，在氧化亚硅表面包覆多孔碳层，而多孔碳经过高温下的石墨化处理转化成导电性能更高的石墨化碳，为了在氧化亚硅表面获得多层碳包覆结构，利用浓硝酸的氧化作用可以对石墨化碳层进行表面氧化改性，使得石墨化碳层表面产生大量的羟基
、
羧基等特殊官能团，这些官能团具备良好的亲碳效果，来实现碳原子之间结合，使得后续形成的碳包覆层能够通过化学共价键结合在石墨化碳表面，以克服碳层之间结合性能差的缺陷，最终形成稳定的多层石墨化碳包覆结构，其具有导电性好
、
孔隙率高
、
传导通道多等特点，利于电子和离子自由在碳层间移动，在形成多层石墨化碳之后，最终通过
CVD
沉积热解碳，而热解碳为高导电性的无定形碳，其与电解液的相容性好，可有效防止大分子有机溶剂的共嵌入，抑制石墨化碳层的脱落，减少副反应的发生
。
[0014]作为一个优选的方案，所述氧化亚硅粉末的粒度中值
D
50
为
3.0
～
15.0
μ
m。
氧化亚硅粉末的粒度中值
D
50
进一步优选为
5.0
～
6.0
μ
m。
[0015]作为一个优选的方案，所述有机碳源包括葡萄糖
、
蔗糖
、
淀粉
、
柠檬酸
、
酚醛树脂中至少一种
。
这些有机碳源为本领域常见的有机碳源，且这些有机碳源富含氧，是构建多孔碳的理想碳源
。
[0016]本专利技术的氧化亚硅粉末和有机碳源的混合过程采用机械搅拌方式，搅拌频率为
10
～
90Hz
，搅拌时间为
60
～
180min
，使得两者完全混合均匀
。
[0017]作为一个优选的方案，所述有机碳源的质量为氧化亚硅粉末质量的
1.0
～
20.0
％
。
所述有机碳源的质量进一步优选为氧化亚硅粉末质量的
3.0
～
10.0
％，如果有机碳源的质量相对较低，则难以在氧化亚硅粉末表面形成完整的碳包覆层，如果有机碳源的质量相对较高，则氧化亚硅粉末表面的碳层过厚，会造成氧化亚硅比例减小和阻碍锂离子的迁移，影响材料的放电容量等电化学性能
。
[0018]作为一个优选的方案，所述有机碳源与浓硝酸按照固液比为
1.0g:1.0
～
3.0mL。
所述浓硝酸为质量百分比浓度不低于
40
％的硝酸，质量百分比浓度在
40
％以上的具有较高的氧化能力，能够有机碳源初步氧化转化成不定形碳，也可以在碳材料表面生成含氧基团，比如羟基
、
羧基
、
碳基等等
。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种多层碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)
将氧化亚硅粉末和有机碳源混匀后，加入浓硝酸进行氧化处理，得到氧化碳源
@
氧化亚硅；将氧化碳源
@
氧化亚硅在含二氧化碳的气氛下进行活化处理，得到多孔碳
@
氧化亚硅；将多孔碳
@
氧化亚硅进行石墨化处理，得到多孔石墨化碳
@
氧化亚硅；
2)
将多孔石墨化碳
@
氧化亚硅与有机碳源混合后，重复至少1次步骤
1)
的氧化处理
、
活化处理和石墨化处理，得到多层多孔石墨化碳
@
氧化亚硅；
3)
将多层多孔石墨化碳
@
氧化亚硅通过气相沉积在其表面生成热解碳层，即得
。2.
根据权利要求1所述的一种多层碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述氧化亚硅粉末的粒度中值
D
50
为
3.0
～
15.0
μ
m
；所述有机碳源包括葡萄糖
、
蔗糖
、
淀粉
、
柠檬酸
、
酚醛树脂中至少一种
。3.
根据权利要求1或2所述的一种多层碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法，其特征在于：所述有机碳源的质量为氧化亚硅粉末质量的
1.0
～
20.0
％
。4.
根据权利要求1所述的一种多层碳包覆氧化亚硅复合材料的制备方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖寄乔，
申请(专利权)人：湖南金博高新科技产业集团有限公司，
类型：发明
国别省市：