【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池，尤其涉及一种氧化铝包覆硅碳材料及其制备方法与应用。
技术介绍
1、在过去的10年，锂离子电池在便携式电子设备领域占据主导的地位，近年来，在电动汽车领域也有着越来越重要的地位。目前，在电动汽车领域，汽车电池的能量密度以每年7％～10％的速度提高。因此，对锂离子电池的能量密度及其产业化提出了更高的要求。石墨作为商业化的负极材料，已经几乎接近了其理论比容量的极限，能提供的比容量为150wh/kg，不足以满足日益增大的能量密度需求。硅(si)由于其高理论重量容量(4200mah g-1，而石墨为372mah g-1)、低工作电压(约0.28v，而石墨约0.18v)和高丰度(地球上第二丰富的元素)而被广泛研究。然而，si有一个内在的问题，即在li合金-脱合金化过程中，体积变化高达400％。这对锂离子电池的实际应用提出了重大挑战。另外，由于硅循环过程中嵌锂/脱锂导致的体积膨胀会使固体电解质界面(sei)稳定性下降甚至破裂，因此，为促进硅碳负极锂离子电池的进一步发展，针对目前电池系统中存在的问题探讨有效的解决机制极为重要。
2、有研究者使用小粒径的纳米硅材料与石墨和碳进行复合，以此来减少锂离子传输的距离并抑制硅循环过程中的体积膨胀导致的破碎，但是这种使用纳米硅作为原料的调控在实际生产中活性物质硅极易氧化变质，很难保证产品良率，并且对硅碳材料长循环稳定性的提升不明显。也有研究者使用表面包覆等手段来防止负极材料与有机电解液的直接接触，通过减少有害副反应来形成稳定的界面电解质层进而提高硅碳材料的循环稳定性，同时
3、因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
1、鉴于上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种氧化铝包覆硅碳材料及其制备方法与应用，来解决现有对硅碳材料进行包覆工艺中包覆的均一性和颗粒的分散性差的问题。
2、在实验研究中有使用原子层沉积(ald)法来制备氧化铝包覆碳硅材料，需要用到原子层沉积设备，并使用含铝有机物(如三甲基铝)作为前驱体，在保护气体(如氮气)的夹带下进入定制的反应舱室进行沉积。但是，由于沉积过程中使用的前驱体物质具有环境污染及易燃的特性且设备及原料成本较高，在规模化生产中受到阻碍。
3、基于此，本专利技术所采用的技术方案如下：
4、本专利技术的第一方面，提供一种氧化铝包覆硅碳材料的制备方法，包括步骤：
5、提供硅碳材料、硝酸铝溶液和尿素溶液；
6、将所述硅碳材料分散于有机溶剂中，进行超声处理，得到第一混合液；
7、将所述第一混合液与所述硝酸铝溶液混合，进行搅拌，得到第二混合液；
8、将所述第二混合液与所述尿素溶液混合，进行搅拌，得到前驱体溶液；
9、对所述前驱体溶液进行水浴处理，得到前驱体凝胶；
10、对所述前驱体凝胶进行煅烧处理，然后冷却处理，得到所述氧化铝包覆碳硅材料。
11、具体的，本专利技术中的尿素在水溶液中存在以下反应：co(nh2)2+h2o→nh2coonh4，nh2coonh4+h2o→(nh4)2co3；而硝酸铝溶于水中会完全电离出al3+，将尿素加入至硝酸铝溶液中，会使得混合溶液的ph上升，al3+与oh-离子结合生成凝胶状的al(oh)3，由于凝胶的强吸附性会包覆在硅碳材料表面。水浴加热能促进上述的反应，使反应更完全，且能对混合溶液起到浓缩的作用，在高温的煅烧过程中，al(oh)3被转化为最终产物al2o3，得到氧化铝包覆的硅碳材料。得益于这种特殊的结构，表面包覆的氧化铝能抑制硅碳材料在循环过程中的体积膨胀，可以改善硅碳材料的循环性能。另外，在氧化铝的保护下，硅碳材料能与电解液隔离以减少副反应来稳定表面界面层。具体来说，表面的氧化铝会在电池循环过程中转变为快离子导体使得锂离子能维持较高的通过率，其室温离子电导率高达1.36*10～(-5)s/cm，从而促进了锂离子在硅碳材料与电解质之间的迁移。在氧化铝的包覆保护作用下，硅碳材料的体积膨胀得到改善，电压衰减速度减缓，循环稳定性大幅度提升。
12、并且，较于原子层沉积(ald)法，本专利技术方法使用的实验设备成本更低，无需昂贵的实验设备辅助，更能满足商业化应用需求。本专利技术方法中溶胶凝胶法合成过程初期使用的硝酸铝等原料在溶剂中分散性较好，能在短时间内形成分布均匀的溶液，所以，在形成凝胶时更容易在分子层面上形成均匀稳定的凝胶，工艺过程中随着对溶液的浓缩，溶质的浓度不断上升，凝胶能够更加均匀的吸附在硅碳材料的表面。进一步，相较于直接化学反应生成al2o3包覆层，在本方法中金属化合物经溶液、凝胶而固化，再经煅烧处理而生成纳米粒子，得益于凝胶的均匀性以及吸附性，能控制包覆层厚度在纳米级别，纳米级别的包覆层在电池中不会影响电子和锂离子的传输，从而实现更好的电化学性能。相较于其他合成工艺工艺来说，本方法避免了过多生产工序带来的不可控影响因素，且溶胶凝胶法制备得到的产品由于凝胶的良好附着性使包覆层更加均匀。
13、优选的，所述对所述前驱体溶液进行水浴处理中，水浴的温度为60～80℃，水浴的时间为1～5h。
14、优选的，所述对所述前驱体凝胶进行煅烧处理中，煅烧的温度为500～800℃，煅烧的时间为3～5h。
15、优选的，以2～15℃/min的升温速率升温至500～800℃。
16、优选的，所述硝酸铝溶液由硝酸铝与水组成，所述硝酸铝与水的质量比为(100～800)：100000。
17、优选的，所述第二混合液中，所述碳硅材料与所述硝酸铝溶液的质量比为1：(30～100)。
18、具体的，本专利技术探究出氧化铝对硅碳材料的最佳包覆含量范围，并且，由于氧化铝包覆材料的包覆厚度会影响锂离子向负极的传输，从而降低硅碳材料的倍率性能，所以在本专利技术的质量比下，能得到较佳的包覆含量和包覆厚度，使得硅碳材料的倍率性能得到提升。
19、优选的，所述前驱体溶液中，硝酸铝与尿素的质量比为10：1～1：5。
20、优选的，所述将所述第二混合液与所述尿素溶液混合，具体包括：将所述尿素溶液滴加至所述第二混合液中，滴加速率为1～4ml/min。
21、具体的，本申请通过控制滴加速率以确保溶液环境中的ph值不会出现区域性的突变而导致的局部包覆层不均匀，同时控制滴加速率以确保包覆过程反应完全。
22、本申请的第三方面，提供一种采用上述制备方法制备得到的氧化铝包覆硅碳材料。
23、本申请的第四方面，提供一种氧化铝包覆硅碳材料在制备锂离子电池负极中的应用。
24、有益效果：
25、本专利技术公开了一种氧化铝包覆硅碳材料及其制备方法与应用，本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种氧化铝包覆硅碳材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的氧化铝包覆碳硅材料的制备方法，其特征在于，所述对所述前驱体溶液进行水浴处理中，水浴的温度为60～80℃，水浴的时间为1～5h。
3.根据权利要求1所述的氧化铝包覆硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述对所述前驱体凝胶进行煅烧处理中，煅烧的温度为500～800℃，煅烧的时间为3～5h。
4.根据权利要求3所述的氧化铝包覆硅碳材料的制备方法，其特征在于，以2～15℃/min的升温速率升温至500～800℃。
5.根据权利要求1所述的氧化铝包覆硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述硝酸铝溶液由硝酸铝与水组成，所述硝酸铝与水的质量比为(100～800)：100000。
6.根据权利要求5所述的氧化铝包覆碳硅材料的制备方法，其特征在于，所述第二混合液中，所述碳硅材料与所述硝酸铝溶液的质量比为1：(30～100)。
7.根据权利要求1所述的氧化铝包覆硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述前驱体溶液中，硝酸铝与尿素的质量比为10：1～1：5。<...
【技术特征摘要】
1.一种氧化铝包覆硅碳材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
2.根据权利要求1所述的氧化铝包覆碳硅材料的制备方法，其特征在于，所述对所述前驱体溶液进行水浴处理中，水浴的温度为60～80℃，水浴的时间为1～5h。
3.根据权利要求1所述的氧化铝包覆硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述对所述前驱体凝胶进行煅烧处理中，煅烧的温度为500～800℃，煅烧的时间为3～5h。
4.根据权利要求3所述的氧化铝包覆硅碳材料的制备方法，其特征在于，以2～15℃/min的升温速率升温至500～800℃。
5.根据权利要求1所述的氧化铝包覆硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述硝酸铝溶液由硝酸铝与水组成，所述硝酸铝与水的质量比为(100～800)：1...
【专利技术属性】
技术研发人员：张陈武，吉凤君，李德平，慈立杰，王预，
申请(专利权)人：深圳索理德新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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