【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电池，特别是涉及硅碳负极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、在储能领域，锂离子电池具有广泛的应用前景和需求。在传统锂离子电池体系中，通常以石墨作为主要的负极材料，然而石墨的理论比容量较低，难以满足市场对高能量密度的锂离子电池的性能需求。虽然硅基材料具有较高的理论比容量，但是硅基材料具有导电性较差等性能缺陷，通过将硅基材料与多孔碳材料进行复合，可以有效改善其电性能。
2、传统的多孔碳材料可以通过模板法或者静电纺丝法制得，其中，模板法的制备工艺复杂，成本高，产量小，而静电纺丝法的设备简单、操作便利、成本低，可通过调节纺丝参数而实现对纤维直径及长度的高效控制，再经碳化处理，即可得到多孔碳材料。但是静电纺丝法制得的多孔碳材料孔结构分布不均匀，存在较大的孔隙结构，在化学气相沉积过程中孔结构利用率较低，容易出现纳米硅沉积分布不均匀，从而影响硅基材料与多孔碳材料的复合效果，导致比容量、循环稳定性等电化学性能不足。
技术实现思路
1、基于此，有必要针对上述问题，提供一种硅碳负极材料及其制备方法和应用；所述制备方法通过制备具有均匀孔结构的多孔碳基底材料，定向调控孔结构的分布和尺寸，提高孔结构的稳定性，使得多孔碳材料与硅材料实现较好的结合；降低层状多孔碳材料的电阻率，从而获得兼具高首效、高容量与优异的循环稳定性的锂离子电池负极材料。
2、一种硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
3、a、将第一碳源与表面改性剂、溶剂混合制得纺丝液；
4
5、c、将所述纤维膜中的孔结构用第二碳源进行封堵，然后进行碳化得到碳层，其中，所述第一碳源的纯度小于所述第二碳源的纯度；
6、d、将步骤b和步骤c作为一个循环，以所述碳层为静电纺丝的收集装置进行多次循环，制得具有至少两层碳层结构的中间体；
7、e、在气相碳源的条件下，将所述中间体进行热处理，得到层状多孔碳材料；
8、f、将所述层状多孔碳材料进行硅沉积，得到硅碳负极材料。
9、在其中一个实施例中，所述第一碳源选自天然高分子材料，所述第二碳源选自合成有机物材料。
10、在其中一个实施例中，步骤a满足以下条件中的至少一种：
11、(1)所述第一碳源在所述纺丝液中的质量分数为3％-15％；
12、(2)所述第一碳源选自壳聚糖、天然纤维素、透明质酸、明胶、海藻酸钠、胶原蛋白、甲壳素中的至少一种；
13、(3)所述表面改性剂在所述纺丝液中的质量分数为0.1％-2％；
14、(4)所述表面改性剂中含有p、s、金属元素中的至少一种元素。
15、在其中一个实施例中，所述表面改性剂选自硬脂酸钠、硬脂酸锌、硬脂酸钙、烷基苯磺酸钠、月桂醇聚醚硫酸酯钠、月桂醇聚醚硫酸酯钙、三烷基亚磷酸酯、二癸基磷酸二酯钠中的至少一种。
16、在其中一个实施例中，所述静电纺丝工艺满足以下条件中的至少一种：
17、(1)所述纺丝液的粘度为1pa·s-3pa·s；
18、(2)所述纺丝液的流速为0.5ml/min-10ml/min；
19、(3)所述纺丝电压为15kv-35kv。
20、在其中一个实施例中，所述纤维膜满足以下条件中的至少一种：
21、(1)所述纤维膜中孔结构的孔径大于或者等于100nm；
22、(2)所述纤维膜的厚度小于或者等于0.5μm。
23、在其中一个实施例中，步骤c满足以下条件中的至少一种：
24、(1)所述第二碳源的质量为所述纤维膜质量的0.1％-5％；
25、(2)所述第二碳源选自聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、苯、甲苯、二甲苯中的至少一种；
26、(3)所述碳化的温度为500℃-1000℃，时间为2h-8h。
27、在其中一个实施例中，步骤e满足以下条件中的至少一种：
28、(1)所述气相碳源选自甲烷、乙炔、乙烯、丙烷中的至少一种；
29、(2)所述热处理的温度为700℃-950℃，时间为2h-15h。
30、在其中一个实施例中，所述层状多孔碳材料满足以下条件中的至少一种：
31、(1)比表面积为1200m2/g-2400m2/g；
32、(2)孔容为0.5cm3/g-1.8cm3/g；
33、(3)电阻率小于或者等于0.05ω·m。
34、在其中一个实施例中，在所述硅沉积之后，还包括包覆处理。
35、本专利技术所述的制备方法，先采用静电纺丝方式将纯度较低的第一碳源制成丝网状的纤维膜，再用纯度较高的第二碳源对纤维膜中的大孔进行封堵和碳化，一方面，第一碳源中大量的杂质成分挥发，有利于形成缺陷的活性位点，提高电性能；另一方面，第二碳源原位裂解成碳材料，从而可以通过控制第二碳源的含量定向调控孔结构，不仅使大孔变成微介孔，有利于精准调控微介孔的比例，而且使孔结构分布均匀，孔径较为均一，孔结构稳定不易坍塌，比表面积较大。同时，将气相碳源热解成碳并沉积于中间体上，能够进一步提高层状多孔碳材料表面的导电性，有利于降低内阻，提升离子电导率。
36、因此，本专利技术所述的制备方法利用三种不同的碳源，不仅可以实现定向调控孔结构的分布和尺寸，提高孔结构的稳定性，而且能够显著降低层状多孔碳材料的电阻率，将制得的硅碳负极材料用于电池有利于提高电性能。
37、一种由如上所述的硅碳负极材料的制备方法制得的硅碳负极材料，包括所述层状多孔碳材料以及负载于所述层状多孔碳材料中的硅。
38、在其中一个实施例中，所述硅碳负极材料中硅的质量分数为45％-55％。
39、在其中一个实施例中，所述硅碳负极材料还包括碳包覆层。
40、在其中一个实施例中，所述碳包覆层在所述硅碳负极材料中的质量分数为4％-5％。
41、在其中一个实施例中，所述硅碳负极材料满足以下条件中的至少一种：
42、(1)可逆比容量循大于1800mah/g；
43、(2)首次库伦效率高于90％；
44、(3)500周循环稳定性高于85％；
45、(4)电阻率低于4.1ω·m。
46、一种负极极片，包括负极集流体和负极活性材料层，所述负极活性材料层包含如上所述的硅碳负极材料。
47、一种电池，包括如上所述的负极极片。
48、通过本专利技术所述的制备方法制得的硅碳负极材料中，层状多孔碳材料不仅具有丰富的活性位点，兼具良好的离子和电子传输能力，使电阻率小于或者等于0.05ω·m，而且还具有优异的孔结构，比表面积为1200m2/g-2400m2/g，孔容为0.5cm3/g-1.8cm3/g，在制备硅碳负极材料时能更加均匀的吸附硅源气体，使制得的硅碳负极材料用于电池中具有优异的电化学性本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述第一碳源选自天然高分子材料，所述第二碳源选自合成有机物材料。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤a满足以下条件中的至少一种：
4.根据权利要求3所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述表面改性剂选自硬脂酸钠、硬脂酸锌、硬脂酸钙、烷基苯磺酸钠、月桂醇聚醚硫酸酯钠、月桂醇聚醚硫酸酯钙、三烷基亚磷酸酯、二癸基磷酸二酯钠中的至少一种。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝工艺满足以下条件中的至少一种：
6.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述纤维膜满足以下条件中的至少一种：
7.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤c满足以下条件中的至少一种：
8.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤
9.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述层状多孔碳材料满足以下条件中的至少一种：
10.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，在所述硅沉积之后，还包括包覆处理。
11.一种由如权利要求1至权利要求10任一项所述的硅碳负极材料的制备方法制得的硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料包括所述层状多孔碳材料以及负载于所述层状多孔碳材料中的硅。
12.根据权利要求11所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料中硅的质量分数为45％-55％。
13.根据权利要求11所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料还包括碳包覆层。
14.根据权利要求13所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述碳包覆层在所述硅碳负极材料中的质量分数为4％-5％。
15.根据权利要求11至权利要求14任一项所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述硅碳负极材料满足以下条件中的至少一种：
16.一种负极极片，其特征在于，所述负极极片包括负极集流体和负极活性材料层，所述负极活性材料层包含如权利要求11至权利要求15任一项所述的硅碳负极材料。
17.一种电池，其特征在于，包括如权利要求16所述的负极极片。
...【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述第一碳源选自天然高分子材料，所述第二碳源选自合成有机物材料。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤a满足以下条件中的至少一种：
4.根据权利要求3所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述表面改性剂选自硬脂酸钠、硬脂酸锌、硬脂酸钙、烷基苯磺酸钠、月桂醇聚醚硫酸酯钠、月桂醇聚醚硫酸酯钙、三烷基亚磷酸酯、二癸基磷酸二酯钠中的至少一种。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝工艺满足以下条件中的至少一种：
6.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述纤维膜满足以下条件中的至少一种：
7.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤c满足以下条件中的至少一种：
8.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤e满足以下条件中的至少一种：
9.根据权利要求1或权利要求2所述的硅碳负极材料的制备...
【专利技术属性】
技术研发人员：邱小玉，闫允涛，杜宁，杨雯月，张弛，薛宇峰，余丽，岳敏，
申请(专利权)人：碳一新能源集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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