【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及负极材料的，尤其涉及一种硅碳负极材料、电池负极、电池及其制备方法。
技术介绍
1、锂离子电池具有能量密度高、高作电压高、安全性能高、工作温度范围宽、循环寿命长等优点，已在便携式电子产品、电动汽车、储能电站等领域广泛应用。同时，随着电子产品和电动汽车的快速发展，需要锂离子电池具有更高的能量密度，以消除人们的“里程忧虑”。目前，锂离子电池负极材料多为石墨负极，石墨的理论比容量约为370mah/g，难以满足高能量密度锂离子电池对高容量负极的需求。
2、硅的理论比容量超过4000mah/g，是石墨的10倍以上，而且硅含量丰富，价格便宜，使得硅基负极材料成为下一代重要的锂离子电池负极材料。但是硅基材料在充放电过程中，伴随着300％的体积膨胀，造成材料结构的分解、粉化，导致电极材料的剥落，造成电池性能的快速衰减。同时，硅材料自身低的电导率，严重限制了硅基材料的大电流放电能力。因此，提高硅基负极材料的循环稳定性和大电流放电能力，是目前硅基负极材料的重要研究方向。
3、纳米化、碳包覆、构筑中空复合结构是提高硅基负极材料性能的重要手段，纳米化可以缩短锂离子的迁移路径，并缓解体积膨胀；碳包覆可以提高硅基材料的电导率，抑制硅基负极在循环过程中的脱落；而中空复合结构则可以缓冲硅基负极材料的体积膨胀，避免材料从电极脱落。为了保持电极材料的稳定性，表面涂层和电解质设计等外部界面工程受到了极大的关注。
4、如，申请公布号为cn111769264 a的中国专利文献中公开了一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，该方
5、又如，申请公布号为cn 112028065 a的中国专利文献公开了一种siox-sic-c/g硅碳复合材料及其制备和应用，具体公开的硅碳复合材料，包含石墨内核，以及在石墨内核表面逐层原位包覆的siox层、sic层、和无定型碳层；同样的，该方案也是通过在siox层的外部形成包覆层，起到保护氧化硅内核结构稳定性的作用，避免氧化硅与电解液直接接触发生副反应，影响库仑效率。仍然属于外部界面工程。
6、但从硅与导电碳主体材料之间的内部着手解决由于硅体积膨胀和收缩较大而导致的在循环过程中发生机械变形，包括断裂、粉化和导电材料脱层等问题的相关研究及技术方案的提出却很少。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术公开了一种硅碳负极材料，通过在多孔碳基底与纳米硅颗粒间沉积一层碳化硅界面薄层而制备得到，以其为活性组分制备电池负极，并进一步将该电池负极组装得到的锂离子电池具有优异的循环稳定性，兼具高的可逆比容量和高的首次库伦效率。
2、具体技术方案如下：
3、一种硅碳负极材料，包括多孔碳基底、均匀沉积在所述多孔碳基底孔道内及外表面的纳米硅颗粒，以及碳包覆层，所述多孔碳基底与所述纳米硅颗粒间还沉积有碳化硅界面层；
4、所述碳化硅界面层为具有(111)晶面的β-sic；
5、所述碳化硅界面层的厚度为1～5nm。
6、本专利技术公开的硅碳负极材料，是在以多孔碳基底的孔隙结构来缓冲纳米硅颗粒的体积膨胀的常规技术方案的基础上，从硅与导电碳主体材料(本专利技术中即多孔碳基底)的内部着手解决由于硅体积膨胀和收缩较大而导致的在循环过程中发生机械变形，包括断裂、粉化和导电材料脱层等问题，具体是通过在多孔碳基底与纳米硅颗粒间沉积一层含有β-sic的界面薄层，意外发现其兼具如下多重作用：一、为多孔碳基底和纳米硅颗粒之间提供强的结合力，解决了其连接处空隙的产生以及si循环分层的问题，缓解硅碳复合负极材料在循环过程中发生机械变形；二、抑制li离子在纳米硅和多孔碳材料界面之间的渗透，降低锂化过程中的拉伸应力，降低界面电阻实现快速充电下高稳定的循环性能；三、该薄层还能进一步抑制硅的体积膨胀，限制硅晶粒的增长，有效缩短锂离子的迁移路径，进一步缓解体积膨胀。
7、经试验发现，为了实现上述的多重作用，需要保证制备的碳化硅界面层为以(111)晶面为主的β-sic；若制备得到的碳化硅界面层中含有其它的晶面，甚至以其它晶面为主，如以(200)晶面为主，将无法在多孔碳基底和纳米硅颗粒之间提供强的结合力，最终制备的硅碳负极材料组装得到的电池的循环稳定性将大幅下降。此外，该碳化硅界面层需要为适当厚度的薄层，1～5nm为合适的厚度，在该厚度下既可以保证在多孔碳基底和纳米硅颗粒之间提供强的结合力，还可以保证多孔碳基底的孔道结构不会被堵塞，从而不会影响其抑制纳米硅体积膨胀功能的充分发挥。
8、本专利技术还公开了所述硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
9、(1)惰性气氛下，将包括硅源气体a和碳源气体a的混合气通入内置多孔碳基底的反应器中，经气相沉积后得到包覆有碳化硅界面层的多孔碳基底；
10、所述气相沉积的温度为800～1000℃；
11、(2)向反应器中通入硅源气体b，经二次气相沉积后得到硅碳复合材料；
12、(3)向反应器中通入碳源气体b，经高温碳包覆及后处理得到所述硅碳负极材料。
13、步骤(1)中：
14、所述多孔碳基底的d50为0.1～20μm，比表面积为300～2000m2/g，平均孔径为1～50nm，孔容为0.1～2.0cm3/g。
15、所述硅源气体a选自甲硅烷、乙硅烷、二氯二氢硅、三氯氢硅中的一种或多种；
16、所述碳源气体a选自裂解温度为400～800℃的烷烃类气体，具体选自乙炔、乙烯等常用种类；
17、所述混合气的总流速为1～50l/min，其中，硅源气体a和碳源气体a的体积比为0.1～100:1；
18、所述气相沉积的时间为0.1～20h。
19、本制备工艺中，步骤(1)中气相沉积温度的控制是制备得到以(111)晶面为主的β-sic的关键，经试验发现，当气相沉积温度低于800℃，硅、碳间的反应程度低，即使制备得到少量的碳化硅界面层，也未观察到(111)晶面，因此无法实现上述的多重作用。而当气相沉积温度过高，如1200℃，制备得到的为以(200)晶面为主的β-sic，并未出现(111)特征晶面，且形成的碳化硅晶面层出现断层，影响该硅碳负极材料的循环稳定性。
20、优选的，所述气相沉积的温度为800～900℃，此时制备得到的均为以(111)晶面为主的β-sic；进一步优选，所述气相沉积的温度为900℃，制备得到的全部为(本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硅碳负极材料，包括多孔碳基底、均匀沉积在所述多孔碳基底孔道内及外表面的纳米硅颗粒，以及碳包覆层，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述多孔碳基底的D50为0.1～20μm，比表面积为300～2000m2/g，平均孔径为1～50nm，孔容为0.1～2.0cm3/g。
3.根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述具有碳化硅界面层的硅碳负极材料中，多孔碳含量为35～50wt％，β-SiC含量为1～5wt％，硅含量为45～55wt％，碳层含量为3～5wt％。
4.一种根据权利要求1～3任一项所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中：
6.根据权利要求4所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中：
7.根据权利要求4所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中：
8.根据权利要求4所述的具有碳化硅界面层的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)
9.一种电池负极，其特征在于，包括负极集流体和沉积在所述负极集流体上的负极活性材料层；
10.一种电池，其特征在于，包括根据权利要求9所述的电池负极。
...【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料，包括多孔碳基底、均匀沉积在所述多孔碳基底孔道内及外表面的纳米硅颗粒，以及碳包覆层，其特征在于：
2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述多孔碳基底的d50为0.1～20μm，比表面积为300～2000m2/g，平均孔径为1～50nm，孔容为0.1～2.0cm3/g。
3.根据权利要求1所述的硅碳负极材料，其特征在于，所述具有碳化硅界面层的硅碳负极材料中，多孔碳含量为35～50wt％，β-sic含量为1～5wt％，硅含量为45～55wt％，碳层含量为3～5wt％。
4.一种根据权利要求1～3任一项所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在...
【专利技术属性】
技术研发人员：杜宁，王振，胡昊，孙宁，葛明，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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