【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及负极材料，尤其涉及一种纳米硅多孔碳复合材料及其制备方法、应用。
技术介绍
1、锂离子电池是目前应用最广泛的可充电电池，广泛应用航空航天、交通工具以及3c电子产品中。由于锂离子电池具有较高的能量密度、工作电压和循环寿命等，近年来获得高速发展。锂离子电池的电极材料是决定锂离子电化学性能的关键因素，在动力电池领域，正极材料普遍采用磷酸铁锂、镍钴锰三元材料等，负极材料主要由石墨组成。但是，随着科技发展及动力能源的需求不断增长，锂离子电池的能量密度要求在逐渐提升。石墨负极材料的理论容量为372mah/g已经不能满足未来发展的高能量密度要求，而硅负极材料具有4200mah/g的理论容量，被认为是未来最有发展前景的负极材料之一。但是硅在嵌锂时与石墨的层间距间嵌锂方式不同，硅的嵌锂为锂硅合金化的电化学反应，由于行成的锂硅合金的体积相比硅更大，所以会形成巨大的体积膨胀，约为300％，导致硅颗粒破碎，与集流体失去导电接触，导致材料失活，同时不断破碎的材料颗粒表面与电解液接触形成新的sei膜，不断消耗锂离子，导致容量快速下降。
2、目前，研究人员有通过将多孔碳材料的孔隙内通入硅烷气体，利用高温裂解将硅烷裂解，用气相沉积的方法将纳米硅材料填入多孔碳的孔隙内，得到纳米硅填充进多孔碳的特殊结构纳米硅多孔碳复合负极材料，这种结构多孔碳的孔隙能够有效提供硅膨胀的缓冲空间，同时纳米硅附着在碳材料能够有效提供导电接触，增加硅的导电性从而提升性能。但是这种制备方法成本较高，且使用的硅烷气体具有有毒、易燃易爆等性质，实际生产过程具有较大的安全
技术实现思路
1、基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种纳米硅多孔碳复合材料及其制备方法、应用，本专利技术通过二氧化碳和硅酸盐溶液经液相反应在多孔碳的孔隙中生成硅化合物；再经烧结反应生成纳米硅单质，使得纳米硅分布在多孔碳孔隙中，避免了使用硅烷气体存在安全危害的问题；并且能轻松除去多孔碳表面覆盖的硅化合物，避免现有气相沉积方法多孔碳表面硅单质难以去除的问题，提高电化学性能；另外包覆碳层，降低了比表面积，减少sei膜的生成，有效降低电解液消耗，提高了复合材料的首效；本专利技术制备方法简单，生产过程安全无毒，适合大规模商业化应用。
2、本专利技术提出了一种纳米硅多孔碳复合材料，包括：多孔碳和分布在多孔碳孔径中的纳米硅，且多孔碳的表面包覆有碳层。
3、优选地，多孔碳的粒径为5-20μm。
4、优选地，多孔碳的孔径为10-500nm。
5、优选地，多孔碳的孔隙率为5-15％。
6、优选地，多孔碳为硬碳、碳气凝胶、活性碳、活性碳纤维、碳分子筛中的至少一种。
7、优选地，纳米硅的粒径≤100nm。
8、优选地，纳米硅的粒径为5-80nm。
9、优选地，碳层的厚度为50-300nm。
10、优选地，纳米硅多孔碳复合材料中，硅含量为5-50wt％。
11、优选地，纳米硅多孔碳复合材料的比表面积为1-20m2/g。
12、本专利技术还提出了上述纳米硅多孔碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：将多孔碳放置在二氧化碳气体氛围中，然后通入硅酸盐溶液进行反应，固液分离，一次干燥，洗涤，二次干燥，然后烧结，碳包覆得到纳米硅多孔碳复合材料。
13、本专利技术通过将多孔碳先放在二氧化碳环境中，再通入硅酸盐水溶液，通过液体浸润的方式，让硅溶液进入多孔碳材料的孔隙中，在高速搅拌作用下保证与二氧化碳发生充分反应，使得硅化合物(如硅酸)填充在孔隙中；随后高温烧结，在多孔碳的孔隙中生成纳米硅单质，利用多孔碳材料的内部孔隙，提供了较大的膨胀缓冲空间，有效解决了硅在充放电过程中的体积膨胀带来的颗粒破碎效应，相比现有硅烷沉积的技术，使用温和的液体化学反应能够实现硅进入碳材料孔隙内的同时，解决了使用有毒、易燃易爆的硅烷气体，在硅烷气体裂解实际生产过程中的安全性问题，给材料的商业化大规模制备提供了可能。
14、此外，硅酸盐与二氧化碳反应后，在多孔碳表面也生成了硅化合物，硅化合物包覆在多孔碳表面，用碱性水溶液进行洗涤，可以轻松除去多孔碳表面覆盖的硅化合物，避免烧结时在多孔碳表面形成硅单质，导致表面的硅单质在膨胀时没有碳材料限制，容易破碎脱落，降低复合材料的电化学性能；而使用现有的气相沉积方法，多孔碳表面会形成硅单质并且难以去除，对其电化学性能影响较大；
15、另外，本专利技术还对多孔碳进行了碳包覆处理，可以有效封闭多孔碳中多余的孔隙，降低了复合材料的比表面积，减少sei膜的生成，有效降低电解液消耗，提高了复合材料的首效。
16、优选地，将多孔碳放置在二氧化碳气体氛围中，使二氧化碳气体填充至多孔碳孔隙中。
17、优选地，二氧化碳气体氛围的气压为0.4-0.6mpa。
18、优选地，通入硅酸盐溶液时，仍然保持二氧化碳气体氛围。
19、上述保持二氧化碳气体氛围、通入硅酸盐溶液是在一种间歇式通气高速搅拌装置中进行的，转速范围在0-3000r/min，在搅拌过程中通过间歇式停转通气排气来保持二氧化碳气体氛围，通气间歇时间范围为5-10min。
20、优选地，硅酸盐为硅酸钠、硅酸锂、硅酸钾中的至少一种。
21、优选地，硅酸盐溶液的浓度为1-3mol/l。
22、优选地，以2000-4000r/min的速度搅拌反应。
23、优选地，反应时间为1-3h。
24、优选地，一次干燥、二次干燥的方式均为真空干燥。
25、优选地，用碱性溶液进行洗涤。
26、优选地，碱性溶液为naoh反应、lioh溶液、koh溶液、氨水中的至少一种。
27、优选地，碱性溶液的浓度为0.5-1.5mol/l。
28、优选地，烧结的温度程序为：升温至150-300℃保温2-4h，再升温至1600-2500℃保温5-10h。
29、优选地，烧结时，升温速率为2-10℃/min。
30、优选地，在惰性气体氛围中进行烧结。
31、上述惰性气体可以为氦气、氖气、氩气、氮气中的至少一种。
32、本专利技术采用两段程序保温烧结，先升温至150-300℃除去材料中多余的溶剂；并且使填入孔隙内的硅化合物分解生成二氧化硅和水蒸汽，再升温至1600-2500℃分解出的二氧化硅和多孔碳基底反应，生成纳米硅单质和一氧化碳，一氧化碳随着通入的惰性气体排出。
33、优选地，用乙炔气体进行裂解反应实现碳包覆。
34、优选地，裂解反应的温度为750-950℃，时间为0.5-5h。
35、本专利技术还提出了上述纳米硅多孔碳复合材料在负极材料中的应用。
36、有益效果：
37、本专利技术通过将多孔碳先放在二氧化碳环境中，再通入硅酸盐水溶液，通过液体浸润的方式，让硅溶液进入多孔碳材料的孔隙中，与二氧化碳发本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米硅多孔碳复合材料，其特征在于，包括：多孔碳和分布在多孔碳孔径中的纳米硅，且多孔碳的表面包覆有碳层。
2.根据权利要求1所述纳米硅多孔碳复合材料，其特征在于，多孔碳的粒径为5-20μm；优选地，多孔碳的孔径为10-500nm；优选地，多孔碳的孔隙率为5-15％；优选地，多孔碳为硬碳、碳气凝胶、活性碳、活性碳纤维、碳分子筛中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述纳米硅多孔碳复合材料，其特征在于，纳米硅的粒径≤100nm；优选地，纳米硅的粒径为5-80nm；优选地，碳层的厚度为50-300nm；优选地，纳米硅多孔碳复合材料中，硅含量为5-50wt％；优选地，纳米硅多孔碳复合材料的比表面积为1-20m2/g。
4.一种如权利要求1-3任一项所述纳米硅多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将多孔碳放置在二氧化碳气体氛围中，然后通入硅酸盐溶液进行反应，固液分离，一次干燥，洗涤，二次干燥，然后烧结，碳包覆得到纳米硅多孔碳复合材料。
5.根据权利要求4所述纳米硅多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，将多孔碳放置在二氧化碳
6.根据权利要求4或5所述纳米硅多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，通入硅酸盐溶液时，仍然保持二氧化碳气体氛围；优选地，硅酸盐为硅酸钠、硅酸锂、硅酸钾中的至少一种；优选地，硅酸盐溶液的浓度为1-3mol/L。
7.根据权利要求4-6任一项所述纳米硅多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，以2000-4000r/min的速度搅拌反应；优选地，反应时间为0.5-2h；优选地，一次干燥、二次干燥的方式均为真空干燥；优选地，用碱性溶液进行洗涤；优选地，碱性溶液为NaOH反应、LiOH溶液、KOH溶液、氨水中的至少一种；优选地，碱性溶液的浓度为0.5-1.5mol/L。
8.根据权利要求4-7任一项所述纳米硅多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，烧结的温度程序为：升温至150-300℃保温2-4h，再升温至1600-2500℃保温5-10h；优选地，烧结时，升温速率为2-10℃/min；优选地，在惰性气体氛围中进行烧结。
9.根据权利要求4-8任一项所述纳米硅多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，用乙炔气体进行裂解反应实现碳包覆；优选地，裂解反应的温度为750-950℃，时间为0.5-5h。
10.一种如权利要求1-3任一项所述纳米硅多孔碳复合材料在负极材料中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种纳米硅多孔碳复合材料，其特征在于，包括：多孔碳和分布在多孔碳孔径中的纳米硅，且多孔碳的表面包覆有碳层。
2.根据权利要求1所述纳米硅多孔碳复合材料，其特征在于，多孔碳的粒径为5-20μm；优选地，多孔碳的孔径为10-500nm；优选地，多孔碳的孔隙率为5-15％；优选地，多孔碳为硬碳、碳气凝胶、活性碳、活性碳纤维、碳分子筛中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述纳米硅多孔碳复合材料，其特征在于，纳米硅的粒径≤100nm；优选地，纳米硅的粒径为5-80nm；优选地，碳层的厚度为50-300nm；优选地，纳米硅多孔碳复合材料中，硅含量为5-50wt％；优选地，纳米硅多孔碳复合材料的比表面积为1-20m2/g。
4.一种如权利要求1-3任一项所述纳米硅多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将多孔碳放置在二氧化碳气体氛围中，然后通入硅酸盐溶液进行反应，固液分离，一次干燥，洗涤，二次干燥，然后烧结，碳包覆得到纳米硅多孔碳复合材料。
5.根据权利要求4所述纳米硅多孔碳复合材料的制备方法，其特征在于，将多孔碳放置在二氧化碳气体氛围中，使二氧化碳气体填充至多孔碳孔隙中；优选地，二氧化碳气体氛围的气压为0.4-0.6mpa。
6.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：程成，彭思遥，许家齐，
申请(专利权)人：合肥国轩新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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