一种梯度包覆型氧化硅制造技术

本发明专利技术公开了一种梯度包覆型氧化硅

【技术实现步骤摘要】
一种梯度包覆型氧化硅/碳复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种梯度包覆型氧化硅
/
碳复合材料，还涉及上述复合材料的制备方法
。

技术介绍

[0002]随着大型储能设备的快速发展和新能源汽车的日渐普及，传统商用锂离子电池的能量密度已难以满足需求，开发新一代高致密锂离子电池已成为大势所趋，电极材料是发展高性能锂离子电池的基础
。
[0003]传统锂离子电池中的石墨负极理论容量仅为
372mAh g
‑1。
一氧化硅
(SiO)
作为锂离子电池负极材料具有如下优势：
(1)
较高的理论容量
(2400mAhg
‑1)
；
(2)
相比于硅负极体积膨胀更小，结构更加稳定；
(3)
制备来源广泛，成本低廉
。
因此，
SiO
已被视为下一代极具潜力的负极材料之一
。
然而，
SiO
的体积膨胀仍然不可忽视，且低的电导率和循环过程中严重的容量衰减也限制了其商业应用
。
[0004]目前，优化
SiO
性能的方法主要有碳包覆
。
然而，传统碳包覆方法形成的包覆层难以与
SiO
的无机表面紧密结合，导致材料在循环过程中结构完整性难以维持，且碳包覆层直接承受
SiO
较大膨胀应力容易破裂，进而引起电化学性能恶化
。/>
技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术目的旨在提供一种梯度包覆型氧化硅
/
碳复合材料，该复合材料中，碳包覆层通过中间的
SiO
x
/C
均相复合层与
SiO
结合紧密，从而一方面提高复合材料的结构稳定性，另一方面实现包覆层对氧化硅体积膨胀应力的梯度缓释，从而其作为锂离子电池负极材料应用时，具有高的质量比容量
、
面积比容量以及优异的倍率性能和循环性能；本专利技术另一目的旨在提供上述梯度包覆型氧化硅
/
碳复合材料的制备方法
。
[0006]技术方案：本专利技术所述的梯度包覆型氧化硅
/
碳复合材料，所述复合材料以
SiO
为核，在
SiO
外依次包覆有
SiO
x
/C
均相复合层和碳包覆层；
SiO
x
/C
均相复合层与
SiO
以硅氧键相连，
SiO
x
/C
均相复合层与碳包覆层以碳碳键相连
。
[0007]本专利技术复合材料由内向外氧化硅含量逐步降低，碳含量逐步升高，形成了梯度复合结构；其中，一氧化硅的质量占比为复合材料质量的
60
～
95
％；
SiO
x
的质量占比为复合材料质量的5～
30
％；碳组分的质量占比为复合材料质量的5～
20
％
。
[0008]其中，
SiO
的粒径为
100nm
～5μ
m。
[0009]其中，有机硅转化得到的
SiO
x
/C
均相复合层中，
x
约为
1.5
，
SiO
x
/C
均相复合层的厚度为
20
～
100nm。
用的商品化
SiO
不是形状规则的颗粒，导致不同位置的包覆层会有厚度差异
。
[0010]其中，最外层的碳包覆层以无定形碳为主，碳包覆层的厚度为
20
～
70nm。
[0011]上述梯度包覆型氧化硅
/
碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0012](1)
将
SiO
微米颗粒分散在乙醇的水溶液中，再往其中加入有机硅烷，搅拌均匀加
入氨水进行反应，反应后离心
、
洗涤
、
干燥后得到有机硅包覆
SiO
的复合颗粒；
[0013](2)
将有机硅包覆
SiO
的复合颗粒置于管式炉内，采用化学气相沉积法在惰性气氛中引入有机碳源，于高温下进行碳沉积，得到黑色的梯度包覆型氧化硅
/
碳复合材料
。
[0014]其中，步骤
(1)
中，所述有机硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷
、
乙烯基三甲氧基硅烷
、
巯丙基三甲氧基硅烷
、
氰乙基三乙氧基硅烷或硫氰丙基三乙氧基硅烷中的一种
。
[0015]其中，步骤
(1)
中，乙醇的水溶液中，乙醇与水的体积比为4～
10
：
1。
[0016]其中，步骤
(1)
中，氨水质量分数为
25
％
。
[0017]其中，步骤
(1)
中，
SiO
和有机硅烷的质量比为1：2～
4。
[0018]其中，步骤
(1)
中，干燥温度为
60
～
80℃
，干燥时间为
10
～
20
小时
。
[0019]其中，步骤
(2)
中，有机碳源为甲苯
、
乙烯
、
乙炔
、
丙烯
、
吡咯
、
吡啶或沥青
。
[0020]其中，步骤
(2)
中，碳沉积的温度为
850
～
1000℃
，时间为3～
12
小时
。
[0021]本专利技术复合材料具有三层复合结构，内核为一氧化硅
(SiO)
，中间层为有机硅转化得到的非化学计量氧化硅
(SiO
x
,x
约为
1.5)
与碳的均相复合材料
(SiO
x
/C)
，最外层是通过化学气相沉积法形成的碳包覆层；该梯度复合材料由内向外氧化硅含量逐步降低，碳含量逐步升高，其中，
SiO
x
/C
均相复合层向内与
SiO
以硅氧键相连接，向外与碳包覆层以碳碳键相连接，使梯度复合的三层结构形成一个紧密结合的整体
。
具体反应机理为：有机硅烷在碱性溶液
(
氨水
)
的催化下发生溶胶凝胶反应，与
SiO
表面以硅氧键相连，在
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种梯度包覆型氧化硅
/
碳复合材料，其特征在于：所述复合材料以
SiO
为核，在
SiO
外依次包覆有
SiO
x
/C
均相复合层和碳包覆层；
SiO
x
/C
均相复合层与
SiO
以硅氧键相连，
SiO
x
/C
均相复合层与碳包覆层以碳碳键相连
。2.
根据权利要求1所述的梯度包覆型氧化硅
/
碳复合材料，其特征在于：复合材料中，一氧化硅的质量占比为复合材料质量的
60
～
95
％；
SiO
x
的质量占比为复合材料质量的5～
30
％；碳组分的质量占比为复合材料质量的5～
20
％
。3.
权利要求1所述的梯度包覆型氧化硅
/
碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)
将
SiO
微米颗粒分散在乙醇的水溶液中，再往其中加入有机硅烷，搅拌均匀加入氨水进行反应，反应后离心
、
洗涤
、
干燥后得到有机硅包覆
SiO
的复合颗粒；
(2)
将有机硅包覆
SiO
的复合颗粒置于管式炉内，采用化学气相沉积法在惰性气氛中引入有机碳源，于高温下进行碳沉积，得到黑色的梯度包覆型氧化硅
/
碳复合材料
。4.
根据权利要求3所述的梯度包覆型氧化硅
/
碳复合材料的制备方法，其特征在于：步骤
(1)
中，所述有机硅烷为乙烯基三乙氧基硅烷
、
乙烯基三甲氧基硅烷
、

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振辉，夏永姚，忽睿，许真铭，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：