一种具有核壳结构的硅-硬碳复合材料及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种具有核壳结构的硅

【技术实现步骤摘要】
一种具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料及制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电池材料
，特别涉及一种具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料及制备方法和应用
。

技术介绍

[0002]具有高容量和优良循环性能的硅碳复合材料是近年来锂离子电池负极材料领域研究的热点
,
碳材料的选取及其制备方法对复合材料的形貌和电化学性能具有重要的影响
。
[0003]如何将硅和碳材料更好的结合成为难点，目前主要通过机械混合或者简单包覆进行复合，纳米硅颗粒在碳材料中分布不均匀，使得硅碳复合材料不能充分发挥其优势
。
同时，这种方法不能有效解决硅的高膨胀对材料造成的破坏
。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供了一种具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料及其制备方法和应用，具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料的内核为实心球形硬碳颗粒，外壳为包覆在硬碳颗粒外的多孔硬碳材料，纳米硅均匀生长于多孔硬碳材料的空隙中，在充放电过程中更有利于锂离子的嵌入嵌出，提高首周效率，同时缓解了其体积膨胀对结构的破坏，保持材料的完整性，提高材料的循环性能
。
本专利技术采用高频等离子体设备将微米级硅粉高温气化后原位生长于多孔硬碳材料的孔隙中，纳米硅的结构均一
、
纯度高，有利于提升循环性能
。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供了一种具有核壳结构的硅/>‑
硬碳复合材料，所述具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料包括：内核和外壳；
[0006]所述内核为硬碳颗粒；
[0007]所述外壳包括：多孔硬碳材料和纳米硅；其中，所述多孔硬碳材料包覆于所述硬碳颗粒的外表面，所述纳米硅由微米级硅粉通过高频等离子体设备气化后原位生长于所述多孔硬碳材料的孔隙中；
[0008]所述纳米硅的粒径在
0.1nm
‑
50nm
之间，所述纳米硅占所述硅
‑
硬碳复合材料的质量比为1％
‑
70
％
。
[0009]优选的，所述硬碳颗粒的粒径在1μ
m
‑
80
μ
m
之间；
[0010]所述多孔硬碳材料的孔隙的平均孔径在
0.1nm
‑
50nm
之间；
[0011]所述具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料的粒径在
1.1
μ
m
‑
100
μ
m
之间
。
[0012]优选的，所述硬碳颗粒由第一硬碳基体制备得到；所述多孔硬碳材料由第二硬碳基体制备得到；
[0013]所述第一硬碳基体包括：葡萄糖
、
蔗糖
、
聚乙烯吡咯烷酮
、
淀粉聚偏氟乙烯
、
酚醛树脂或聚氯乙烯中的一种或多种；
[0014]所述第二硬碳基体包括：葡萄糖
、
蔗糖
、
聚乙烯吡咯烷酮
、
淀粉聚偏氟乙烯
、
酚醛树脂或聚氯乙烯中的一种或多种；
[0015]所述微米级硅粉包括：金刚线切割硅料的余料硅粉
、
生产有机硅的废料硅粉或工业硅粉中的一种或多种
。
[0016]第二方面，本专利技术实施例提供了一种上述第一方面所述的具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料的制备方法，所述制备方法包括：
[0017]将第一硬碳基体置于水热釜中进行水热处理，出料后经过清洗过滤至滤液透明无色，再进行干燥，得到硬碳颗粒；
[0018]将所述硬碳颗粒
、
第二硬碳基体
、
造孔剂按比例混合得到固体混合物，通过融合法或喷雾干燥法，将所述第二硬碳基体和所述造孔剂包覆在所述硬碳颗粒的表面，得到前驱体材料；
[0019]将所述前驱体材料置于反应炉中，在氮气气氛或氩气气氛下，升温至
700℃
‑
1300℃
，保温1小时
‑
20
小时，出料进行清洗过滤至滤液为中性，再进行干燥，得到表面包覆多孔硬碳材料的硬碳颗粒；
[0020]将表面包覆多孔硬碳材料的硬碳颗粒置于高频等离子体设备的冷凝区，微米级硅粉置于高温区；向所述高频等离子体设备通入保护气置换空气，开启所述高频等离子体设备的等离子体发生器，电离工作气产生等离子体火炬，使微米级硅粉气化为气态硅，将所述气态硅通过载气带入到冷凝区，使所述气态硅沉积到多孔硬碳材料的孔隙中成核并生长至纳米尺寸，得到具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料；其中，所述多孔硬碳材料的孔隙中的纳米硅的粒径在
0.1nm
‑
50nm
之间，所述纳米硅占所述具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料的质量比为1％
‑
70
％
。
[0021]优选的，所述硬碳颗粒
、
所述第二硬碳基体和所述造孔剂的质量比为
(0
，
95
％
]：
(0
，
95
％
]：
(0
，
20
％
]；
[0022]所述第一硬碳基体包括：葡萄糖
、
蔗糖
、
聚乙烯吡咯烷酮
、
淀粉聚偏氟乙烯
、
酚醛树脂或聚氯乙烯中的一种或多种；
[0023]所述第二硬碳基体包括：葡萄糖
、
蔗糖
、
聚乙烯吡咯烷酮
、
淀粉聚偏氟乙烯
、
酚醛树脂或聚氯乙烯中的一种或多种；
[0024]所述造孔剂包括：氢氧化钠
、
氢氧化钾
、
碳酸钾
、
碳酸钠或硫酸钠中的一种或多种；
[0025]所述微米级硅粉包括：金刚线切割硅料的余料硅粉
、
生产有机硅的废料硅粉或工业硅粉中的一种或多种；所述微米级硅粉的平均粒径
D50
为5μ
m
‑
100
μ
m
；
[0026]所述硬碳颗粒的粒径在1μ
m
‑
80
μ
m
之间；
[0027]所述多孔硬碳材料的孔隙的平均孔径在
0.1nm
‑
50nm
之间；
[0028]所述具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料的粒径在
1.1
μ
m
‑
100
μ
m
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料，其特征在于，所述具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料包括：内核和外壳；所述内核为硬碳颗粒；所述外壳包括：多孔硬碳材料和纳米硅；其中，所述多孔硬碳材料包覆于所述硬碳颗粒的外表面，所述纳米硅由微米级硅粉通过高频等离子体设备气化后原位生长于所述多孔硬碳材料的孔隙中；所述纳米硅的粒径在
0.1nm
‑
50nm
之间，所述纳米硅占所述硅
‑
硬碳复合材料的质量比为1％
‑
70
％
。2.
根据权利要求1所述的具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料，其特征在于，所述硬碳颗粒的粒径在1μ
m
‑
80
μ
m
之间；所述多孔硬碳材料的孔隙的平均孔径在
0.1nm
‑
50nm
之间；所述具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料的粒径在
1.1
μ
m
‑
100
μ
m
之间
。3.
根据权利要求1所述的具有核壳结构的的硅
‑
硬碳复合材料，其特征在于，所述硬碳颗粒由第一硬碳基体制备得到；所述多孔硬碳材料由第二硬碳基体制备得到；所述第一硬碳基体包括：葡萄糖
、
蔗糖
、
聚乙烯吡咯烷酮
、
淀粉聚偏氟乙烯
、
酚醛树脂或聚氯乙烯中的一种或多种；所述第二硬碳基体包括：葡萄糖
、
蔗糖
、
聚乙烯吡咯烷酮
、
淀粉聚偏氟乙烯
、
酚醛树脂或聚氯乙烯中的一种或多种；所述微米级硅粉包括：金刚线切割硅料的余料硅粉
、
生产有机硅的废料硅粉或工业硅粉中的一种或多种
。4.
一种上述权利要求1‑3任一所述的具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将第一硬碳基体置于水热釜中进行水热处理，出料后经过清洗过滤至滤液透明无色，再进行干燥，得到硬碳颗粒；将所述硬碳颗粒
、
第二硬碳基体
、
造孔剂按比例混合得到固体混合物，通过融合法或喷雾干燥法，将所述第二硬碳基体和所述造孔剂包覆在所述硬碳颗粒的表面，得到前驱体材料；将所述前驱体材料置于反应炉中，在氮气气氛或氩气气氛下，升温至
700℃
‑
1300℃
，保温1小时
‑
20
小时，出料进行清洗过滤至滤液为中性，再进行干燥，得到表面包覆多孔硬碳材料的硬碳颗粒；将表面包覆多孔硬碳材料的硬碳颗粒置于高频等离子体设备的冷凝区，微米级硅粉置于高温区；向所述高频等离子体设备通入保护气置换空气，开启所述高频等离子体设备的等离子体发生器，电离工作气产生等离子体火炬，使微米级硅粉气化为气态硅，将所述气态硅通过载气带入到冷凝区，使所述气态硅沉积到多孔硬碳材料的孔隙中成核并生长至纳米尺寸，得到具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料；其中，所述多孔硬碳材料的孔隙中的纳米硅的粒径在
0.1nm
‑
50nm
之间，所述纳米硅占所述具有核壳结构的硅
‑
硬碳复合材料的质量比为1％
‑
70
％
。5.
根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述硬碳颗粒
、
所述第二硬碳基体和所述造孔剂的质量比为
(0
，
95
％
]
：
(0
，
95
％
]
：
(0
，
20
％
]
；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵金，罗飞，
申请(专利权)人：溧阳天目先导电池材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：