【技术实现步骤摘要】
本专利技术具体涉及一种新型硅碳负极材料的制备方法及应用。利用两种基础溶液共混得到膜结构碳材料，通过表面活性剂、增稠剂进行改性复合硅源，并通过改变焙烧气氛实现对碳材料的杂元素掺杂，最终制备高性能硅碳复合负极材料的方法。属于锂电新能源材料的锂离子电池负极方向。
技术介绍
1、随着锂离子电池作为新能源器件在消费、动力、储能领域的高速发展，人们对锂离子电池的能量密度提出了更高要求。目前常用的的石墨类负极材料（理论比容量为372mah·g-1）已经接近理论比容量，难以满足对高容量的需求。硅基负极材料具备超高的理论比容量4200 mah·g-1，此外还具备高安全性、资源丰富等优势。然而硅基负极的商业化应用仍存在三大问题：（1）硅负极属于合金类负极，在电池工作时锂离子会嵌入硅内部与之形成合金，由于硅较高的理论容量导致嵌入锂离子数量较多，会形成较大的体积膨胀（完全嵌入约300%），这种巨大的膨胀会破坏电极结构，严重影响循环性能；（2）充放电过程中，锂离子频繁嵌入脱出，导致硅表面的sei膜不断破碎重组，影响电极结构稳定性；（3）硅材料的半导体特性导致的低电导率（6.7×10-4s·cm-1）问题。
2、为了解决这一问题，硅碳复合负极有望结合两者优势，借助硅基与碳材料的协同效应实现更高的能量密度及更好的倍率性能。在相关研究中，在专利cn116515423中，公开了一种硅碳负极粘接剂制备方法，该方法使用羟基丁腈橡胶、黄原胶、聚醚硫脲三种材料以不同比例复合，获得一种具有大量羟基、羧基、腈基官能团的三维聚合物网络粘接剂，聚合物中形成的大量氢键
技术实现思路
1、本专利的目的在于保护一种利用两种基础溶液共混制备膜结构碳材料，利用表面活性剂、增稠剂对材料进行改性复合硅源，并通过改变焙烧气氛实现对碳材料的杂元素掺杂，最终制备高性能硅碳复合负极材料的方法。
2、单纯硅基负极材料的导电性较差（硅的电导率仅为6.7×10-4s‧cm-1），在嵌/脱锂过程中氧化还原动力学缓慢，电池内部极化严重，sei膜增厚导致过量锂离子损耗，同时在充放电循环过程中巨大的体积膨胀（体积膨胀率高达300%）易引起活性材料粉化，严重影响了材料的库伦效率和倍率循环性能。
3、单纯碳基负极材料理论比容量偏低（372 ma‧h‧g-1），且在大电流充放电过程中锂离子扩散速率和扩散通道受限，脱/嵌锂速率缓慢，同时嵌入过程中会在石墨碳层间形成化合物lixc6，增大碳层层间距，容易导致碳层脱落，降低碳基负极材料的容量、循环性能与使用寿命。
4、硅负极具有极高的理论比容量，但导电性较差、充放电过程中巨大的体积变化等问题导致其商业推进较为困难。而碳材料负极较低的理论容量，优异的导电性以及较低的体积膨胀率与硅负极形成优势互补，更好的解决两者中存在的问题。当前，硅碳负极的需要改善的问题有导电性较差、机械稳定性难以应对频繁的脱嵌锂等问题。
5、聚合物修饰改性手段：使用多种高分子聚合物进行共混，利用高分子之间的氢键作用将其转化为膜状结构高分子碳材料。能有效的对硅源材料进行分散，为硅的膨胀提供空间。
6、表面活性剂改性手段：对具有包覆性结构的有机材料进行改性处理，使二维平面结构的硅碳复合材料转变为三维多空腔结构的硅碳复合材料。多孔的空腔结构提升了反应动力学，有利于锂离子扩散。此外还使用增稠剂对溶剂组分进行改进，优化了硅组分的分散效果，避免硅组分富集导致结构应力不均，破坏电极结构。
7、高温热解工艺：以碳材料为基底，通过高温惰性环境下的转化，制备无定型碳包覆层包覆于硅源材料表面，以此制备硅碳复合负极材料。抑制体积膨胀，提升材料机械稳定性;构建导电网络，提升材料导电性。
8、基于上述相关手段，以有机聚合物制备共混膜为基底，用表面活性剂，增稠剂对膜改性，复合硅源材料并高温热解，制备硅碳复合材料。第一方面，聚合物膜可通过有机物之间相互作用力实现对硅源的分散和稳固，提升材料结构稳定性；第二方面，表面活性剂可对有机膜制造空腔，增加材料与电解液接触面积，提前反应活性，而增稠剂的使用可进一步提升材料稳定性；第三方面，对有机物进行高温热解，有机层转化为碳导电网络层，均匀包裹于硅源外层，并通过杂元素掺杂（s、n掺杂）破坏碳材料内部稳定的石墨结构，形成c-s-c类噻吩结构或n-c杂链结构，提升碳材料导电性的同时改善体积膨胀效应。
9、针对上述技术问题，本专利技术提供一种利用两种基础溶液共混制备膜结构碳材料，并利用表面活性剂、增稠剂对材料进行改性后复合硅源，并形成杂元素掺杂碳材料，进而制备高性能硅碳复合负极材料的方法。
10、更进一步的，所述的基础溶液a中的溶质为壳聚糖、淀粉、海藻酸、纤维素、葡聚糖、甲壳质等中的任意一种。
11、更进一步的，所述的基础溶液a中的溶剂为去离子水、乙酸、乙醇、乙二醇、乙醚、丙酮等中的一种或多种的组合。
12、更进一步的，所述的溶液配制的比例为1%-20%，溶液配制的温度为30-100℃。
13、更进一步的，所述的基础溶液b中的溶质为聚乙烯醇、聚乙丁烯、丁苯橡胶、聚乙二醇、聚乙酸乙烯酯、聚丁二烯等中的任意一种。
14、更进一步的，所述的基础溶液b中的溶剂为去离子水、乙酸、乙醇、乙二醇、乙醚、丙酮等中的一种或多种的组合。
15、更进一步的，所述的溶液的配制比例为1%-20%，配制溶液的温度为30-100 ℃。
16、更进一步的，所述的复合溶液的配制比例为（基础溶液a：基础溶液b为1:1-1:5）。
17、更进一步的，所述的复合溶液的配制温度为30-100℃，配制时间为2-6 h。
18、更进一步的，所述的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、山梨酸醇、十二烷基苯磺酸钠等中的一种或多种的组合。
19、更进一步的，所述的增稠剂种类为cmc(羧甲基纤维素钠)、pvdf（聚偏氟乙烯）、sbr(丁苯橡胶)、paa（聚乙烯酸）等中的一种或多种组合。
20、更进一步的，所述的硅源材料的为纳米硅粉、微米硅粉、氧化亚硅中的一种或多种组合。
21、更进一步的，所述的混合液中的搅拌温度为30-100 ℃，搅拌速度100-800 rpm，搅拌保存时间本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，具体的制备步骤为：
2.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的基础溶液A为壳聚糖、淀粉、海藻酸、纤维素、葡聚糖、甲壳质中的任意一种；溶剂为去离子水、乙醇、乙二醇、乙酸水溶液中的任意一种；基础溶液A的质量浓度为1%-20%。
3.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的基础溶液B为聚乙烯醇、聚乙丁烯、丁苯橡胶、乙二醇、聚乙酸乙烯酯、聚丁二烯中的任意一种；基础溶液B中的溶剂为去离子水、乙酸水溶液、乙醇、乙二醇、乙醚、丙酮中的任意一种；基础溶液B的质量浓度为1%-20%。
4.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的复合液的配制比例中基础溶液A：基础溶液B为1:1-1:5；配制复合液的温度为30-100 ℃，配制时间为2-6 h。
5.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、山梨酸醇、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种组
6.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的混合液中的搅拌温度为30-100 ℃，搅拌速度100-800 r/min，搅拌保存时间为2-6 h。
7.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中的温度控制在30-80 ℃，湿度控制在20-60%。
8.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中的含杂元素的气体气氛为含硫气氛或含氮气氛中的一种或几种；
9.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（6）中所述热处理流程为低温预烧，高温碳化，自然退火处理；其中，低温预烧的升温速度为1-5℃/min，保持温度维持在150-350 ℃，保温时间为2-5 h；高温烧结阶段升温速度1-5 ℃/min，保持温度维持在700-900 ℃，保温时间为4-10 h。
10.如权利要求1-9任一项所述方法制备得到的基于新型硅碳负极材料作为锂离子电池负极的应用。
...【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，具体的制备步骤为：
2.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的基础溶液a为壳聚糖、淀粉、海藻酸、纤维素、葡聚糖、甲壳质中的任意一种；溶剂为去离子水、乙醇、乙二醇、乙酸水溶液中的任意一种；基础溶液a的质量浓度为1%-20%。
3.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的基础溶液b为聚乙烯醇、聚乙丁烯、丁苯橡胶、乙二醇、聚乙酸乙烯酯、聚丁二烯中的任意一种；基础溶液b中的溶剂为去离子水、乙酸水溶液、乙醇、乙二醇、乙醚、丙酮中的任意一种；基础溶液b的质量浓度为1%-20%。
4.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的复合液的配制比例中基础溶液a：基础溶液b为1:1-1:5；配制复合液的温度为30-100 ℃，配制时间为2-6 h。
5.根据权利要求1所述的一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、山梨酸醇、十二烷基苯磺酸钠中的一种或多种组合；增稠剂种类为cmc、pvdf、sb...
【专利技术属性】
技术研发人员：龚晓飞，贲淼，郑磊，周鹏飞，崔晨旭，汤傲，
申请(专利权)人：宜都兴发化工有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。