【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂离子电池，涉及一种金属氧化物/硅碳复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、化石能源的大量使用给环境带来了严峻的挑战，引发了研究学者们对于绿色能源转化和储存技术的研究热潮。在各类的绿色储能器件当中，锂离子电池凭借着比能量高、循环性能好、寿命长、环境友好以及安全等优点，成为了人们研究的重点，并试图不断推进其商业化的进程。目前，锂离子电池当中的负极主要为石墨，其实际比容量已经接近了372mah/g的理论容量，石墨较低的理论容量严重限了锂离子电池的性能，因此开发具有高比容量、高循环稳定性和安全性的负极材料成为锂离子电池进一步发展的关键。
2、针对上述问题，研究者们提出了许多的解决方案。其中，硅类以及金属氧化物类的负极材料由于其具有较高的理论比容量而受到了人们的广泛关注。但是这类材料均存在非常严重的体积膨胀问题，在充放电的过程当中，其体积会膨胀100-300％，这会导致电池的综合性能大幅度下降，严重影响电池寿命。
3、中国专利技术专利申请cn102208614a公开了一种使用碳包覆三氧化二铁的制备方法。首先以铁盐为原料，进行水解，再经过水热反应；最后焙烧得到目标复合材料；所制备的fe2o3@c复合材料具有优良的综合电化学性能，其用作锂离子电池电极材料时，可逆充放电容量可达1500mah/g左右，并且具有较好的循环寿命；但该复合材料制备工序繁琐，需要进行多步骤操作，会导致形貌不可控、产量低等问题，不能进行大规模的商业化应用。
4、中国专利技术专利申请cn110729471a公开了一种锂
5、中国专利技术专利申请cn105355879a公开了一种复合碳包覆金属氧化物及其制备方法。首先采用偶联剂对金属氧化物mxoy进行表面改性，再在金属氧化物表面包覆一层离子液体聚合物，然后微波裂解金属氧化物表面的离子液体聚合物获得复合碳包覆金属氧化物；该复合材料金属氧化物表面碳膜中含有氮、硼、磷等元素，更有利于电荷在金属氧化物表面的转移，因此作为锂离子负极材料具有良好的循环性能和倍率性能；但同样存在原料成本高等问题。
6、因此，以金属氧化物和硅、碳材料为原料制备金属氧化物/硅/碳复合材料用于锂离子电池负极时，如何在保证其在电池中的综合性能进一步提升的同时，实现制备工艺简单、成本低廉仍是目前研究的重点。
技术实现思路
1、本专利技术针对现有技术存在的电池综合性能差、制备工艺复杂、成本高等问题，提供了一种金属氧化物/硅碳复合材料及其制备方法和应用。利用金属氧化物作为基底，并经过碳基材料改性处理，混合碳化即得，制备工艺简单，既能够提高金属氧化物的导电性和多孔结构，有利于沉积大量的硅和碳，又能够有效地防止硅的膨胀，提高电极材料的界面稳定性和电化学性能，最终大大提升材料的容量和首次效率，此外本专利技术使用碳基材料、沉积碳和包覆碳来源广泛，成本低，可同时沉积硅和碳，效率更高，更适合大规模生产。
2、本专利技术的技术方案之一是：
3、提供了一种金属氧化物/硅碳复合材料，所述金属氧化物/硅碳复合材料由金属氧化物基底、沉积碳、硅源以及包覆碳制备得到；所述金属氧化物基底由碳基材料对金属氧化物改性得到。
4、本专利技术中，硅具有较高的理论比容量，可以存储更多的锂离子，从而提高电极材料的能量密度；碳材料可以增加电极材料的导电性能，提高电子传输效率，从而进一步提高材料的电化学性能；利用金属氧化物作为基底，具有良好的导电特性，可以提供电子传输路径，使得材料具有较高的导电性能，经碳基材料改性后可增加材料的表面积和可溶质的扩散速率，具有较高的导电性和多孔结构，有利于沉积大量的硅和碳，提升了材料的容量和首次效率；此外，金属氧化物作为基底具有较高的稳定性和强度，可以有效地抑制硅的膨胀，提高电极材料的界面稳定性和长周期的循环性能。
5、进一步地，所述金属氧化物与碳基材料按质量比为1:0.2-2；优选为1:0.3-1，进一步优选为1:0.5。
6、更进一步地，所述碳基材料选自酚醛树脂、聚偏二氟乙烯、环氧树脂、葡萄糖、沥青中的至少一种。
7、进一步地，所述金属氧化物为碱性和/或中性金属氧化物，选自氧化铝、氧化铁、氧化锌和氧化镁中的至少一种。
8、进一步地，所述金属氧化物基底的制备方法如下：
9、s1：取金属氧化物，研磨、过筛；
10、s2：将过筛后的金属氧化物与碳基材料混合，搅拌均匀后，干燥，得金属氧化物前驱体；
11、s3：对金属氧化物前驱体进行碳化处理，即得。
12、更进一步地，所述干燥温度为60-100℃。
13、更进一步地，所述碳化处理温度为600-900℃；优选为600-800℃；所述碳化处理时间为1-5h；优选为1.5-3h。
14、更进一步地，所述过筛后的金属氧化物粒径为0.1-100μm，d50为2-30μm，孔容为0.2-2cm3/g，比表面积为200-2000m2/g。
15、更进一步地，所述金属氧化物/硅碳复合材料在d峰和g峰的强度比id/ig为0.2-2；优选为0.4-1.3。
16、进一步地，所述硅源选自甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷、二氯二氢硅、三氯氢硅、三氢氯硅和四氯化硅中的至少一种。
17、进一步地，所述沉积碳选自甲烷、乙烯、乙炔、丙烯和丙烷中的至少一种。
18、本专利技术的技术方案之二是：
19、提供了上述金属氧化物/硅碳复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
20、(1)在惰性气氛下，使用硅源和沉积碳对金属氧化物基底进行化学气相沉积，得到金属氧化物/硅碳复合材料前驱体；
21、(2)将金属氧化物/硅碳复合材料前驱体采用包覆碳进行碳包覆；
22、(3)碳包覆得到的产物经过筛、除磁处理后，得到金属氧化物/硅碳复合材料。
23、进一步地，步骤(1)中，所述硅源、碳源和提供惰性气氛的保护气的体积比为10:0.01-5:0.1-10。
24、进一步地，所述金属氧化物/硅碳复合材料前驱体中沉积的硅源和沉积碳的总沉积量为10-70wt％。
25、进一步地，所述金属氧化物/硅碳复合材料的碳包覆量为3-5wt％。
26、进一步地，所述惰性气氛选自氩气、氖气、氦气和氮气中的至少一种。
27、进一步地，步骤(3)中，所述包覆碳包括固相碳、气相碳和液相碳中的任一种。
28、更进一步地，所述固相碳为沥青，具体的碳包覆工艺采用本领域的常规技术手段。
29、更进本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述金属氧化物/硅碳复合材料由金属氧化物基底、沉积碳、硅源以及包覆碳制备得到；所述金属氧化物基底由碳基材料对金属氧化物改性得到。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述金属氧化物与碳基材料按质量比为1:0.2-2。
3.根据权利要求2所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述金属氧化物与碳基材料按质量比为1:0.3-1。
4.根据权利要求1-3任一所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述碳基材料选自酚醛树脂、聚偏二氟乙烯、环氧树脂、葡萄糖、沥青中的至少一种。
5.根据权利要求1-3任一所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述金属氧化物为碱性和/或中性金属氧化物，选自氧化铝、氧化铁、氧化锌和氧化镁中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述金属氧化物基底的制备方法如下：
7.根据权利要求6所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述干燥温度为60-100℃；所述碳化处理温度为
8.根据权利要求1所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述硅源选自甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷、二氯二氢硅、三氯氢硅、三氢氯硅和四氯化硅中的至少一种；所述沉积碳选自甲烷、乙烯、乙炔、丙烯和丙烷中的至少一种。
9.根据权利要求1-8任一所述的金属氧化物/硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述硅源、沉积碳和惰性气氛的体积比为10:0.01-5:0.1-10。
11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物/硅碳复合材料前驱体中硅源和沉积碳的总沉积量为10-70wt％；所述金属氧化物/硅碳复合材料的碳包覆量为3-5wt％。
12.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛选自氩气、氖气、氦气和氮气中的至少一种。
13.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述包覆碳包括固相碳源、气相碳和液相碳中的任一种；
14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述液相碳是通过雾化方式进行包覆的。
15.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，沉积温度为400-600℃，沉积时间为4-10h；步骤(3)中，碳包覆温度为500-800℃，碳包覆时间为2-6h。
16.权利要求1-8任一所述的金属氧化物/硅碳复合材料或权利要求9-15任一所述制备方法制备得到的金属氧化物/硅碳复合材料在锂离子电池中的应用，其特征在于，所述金属氧化物/硅碳复合材料作为锂离子电池负极活性材料。
...【技术特征摘要】
1.一种金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述金属氧化物/硅碳复合材料由金属氧化物基底、沉积碳、硅源以及包覆碳制备得到；所述金属氧化物基底由碳基材料对金属氧化物改性得到。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述金属氧化物与碳基材料按质量比为1:0.2-2。
3.根据权利要求2所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述金属氧化物与碳基材料按质量比为1:0.3-1。
4.根据权利要求1-3任一所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述碳基材料选自酚醛树脂、聚偏二氟乙烯、环氧树脂、葡萄糖、沥青中的至少一种。
5.根据权利要求1-3任一所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述金属氧化物为碱性和/或中性金属氧化物，选自氧化铝、氧化铁、氧化锌和氧化镁中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述金属氧化物基底的制备方法如下：
7.根据权利要求6所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述干燥温度为60-100℃；所述碳化处理温度为600-800℃；碳化处理时间为1-5h。
8.根据权利要求1所述的金属氧化物/硅碳复合材料，其特征在于，所述硅源选自甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷、二氯二氢硅、三氯氢硅、三氢氯硅和四氯化硅中的至少一种；所述沉积碳选自甲烷、乙烯、乙炔...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜宁，胡昊，王振，葛明，叶天成，岳敏，
申请(专利权)人：碳一新能源杭州有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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