【技术实现步骤摘要】
本专利技术锂离子电池，涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和用途。
技术介绍
1、锂离子电池是目前最成功的商业电池系统之一，广泛应用在各类便携式消费电子产品和电动汽车上，市场需求十分旺盛。但目前较低的容量和较差的快充性能使电子产品在连续使用方面体验较差，特别是对电动汽车续航里程的限制影响了新能源汽车的进一步发展。因此，开发具有更高能量密度的锂离子电池显得十分必要。正负极材料是决定电池能量的关键组件，目前负极用商业石墨的理论比容量为372 mah/g，难以满足未来大容量电池的发展需求。
2、硅具有高容量（4200 mah/g）、电化学电位合适（~0.4 v vs li/li+）和自然丰度高等优点，被认为是下一代锂电池负极材料的有力竞争者。然而，硅在锂化/脱锂化过程中剧烈的体积膨胀和较差的导电性使其在锂离子电池负极应用时存在诸多挑战，如电极结构破坏，材料粉化，与集流体接触失效等，进一步引发电池容量快衰减，sei膜反复生长等问题。而采用柔性、轻质、高导电及热稳定的碳质材料包覆硅被认为是改善硅性能的最佳复合材料。一方面，碳材料可以抑制硅的体积膨胀；另一方面，硅碳复合有效增强了硅的导电性。《nano letters》2012年第12卷3315-3321页中报道了一种牺牲模板法制备蛋黄壳结构硅碳复合材料的方法。《energy storage materials》 2016年第3卷45-54页报道了以聚偏二氟乙烯为碳源，通过热解法制备高硅含量硅碳复合材料的方法。《nano letters》2019年第19卷7236-7245页报道了以
3、专利cn116741969a公开了一种牺牲模板法制备硅碳复合材料的方法，将硅颗粒、胶粘剂、水溶性无机盐和导电碳材料在溶剂中混合，充分混合后加入固化剂固化，破碎后再与有机碳源混合，经历多个阶段不同温度的升温保温过程，最终获得了一种具有疏松多孔中间复合层的硅碳复合材料。
4、专利cn116799169a公开了一种结合静电纺丝、热处理、磁控溅射制备硅碳复合材料的方法，首先通过静电纺丝及热处理获得具有多孔结构的碳纤维，随后通过磁控溅射在纤维表面沉积一层硅，最后通过化学气相法在外层包覆一层石墨烯得到硅碳复合材料。
5、专利cn109546108a公开了一种低膨胀硅基复合材料的制备方法。以附着有硅颗粒的碳微米管为核，碳包覆层为壳，组成核壳结构。这种结构有效降低了充放电过程中材料的体积膨胀，提升了材料的导电性和结构稳定性，有利于形成稳定的sei膜，减少硅颗粒在充放电过程的暴露和破碎。
6、专利cn112382740a公开了一种方法，将纳米硅溶液、酚醛树脂溶液、石墨烯浆料和石墨混合并干燥后得到复合材料粉末；将复合材料粉末、碳源和起泡剂混合均匀进行热处理后，得到类石墨烯碳包覆的硅/碳/石墨烯复合材料。
7、专利cn111106338a公开了一种方法，先通过正硅酸乙酯水解获得纳米二氧化硅颗粒，再利用镁热还原得到纳米硅颗粒；随后以纳米硅和葡萄糖为原料制备得到碳包覆纳米硅颗粒；最后将碳包覆纳米硅颗粒、氧化石墨烯混合后，经冷冻干燥及热处理得到硅/无定形碳/石墨烯锂离子电池负极材料。
8、专利cn117276510a公开了一种方法，将多孔碳和有机硅树脂混合在真空中静置干燥得到前驱体，随后与硅烷气体、氮气混合，在高温下分解得到硅碳复合材料。
9、可见，硅碳复合材料受到了科研人员的广泛关注，围绕制备方法、前驱体碳源选择和特殊结构构筑等方面进行了大量研究。但仍存在一些问题，如一般碳源在较低温度长时间碳化，得到的碳骨架强度较差，在实际电池制造的压延过程很容易发生颗粒破碎，使硅重新暴露在电解液中；而在高温下长时间碳化容易产生大量的碳化硅。此外，硅烷、四氯化硅等气相硅源沉积碳工艺，不仅原料价格昂贵，沉积工艺时间较长，而且，得到的硅碳复合材料首效较低。总之，现有制备硅碳复合材料方法存在工艺复杂、原材料成本高等不足，限制了硅碳复合材料的大规模工业应用。因此，如何以廉价的材料，通过简单的办法获得高性能硅碳复合材料仍是一个巨大的挑战。
10、有鉴于此，特提出本专利技术。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种硅碳复合材料及其制备方法和用途，以石墨/类石墨碳为基本的碳骨架，碳水化合物裂解形成碳包覆层，将熔融细化的硅颗粒封装在碳材料中。该复合材料兼具两种不同碳源碳材料的优点：石墨/类石墨碳提供细化硅附着的稳定骨架，形成超细硅与碳骨架紧密结合的硅碳材料，强化硅材料的电子传输能力，提升硅碳材料的导电性，维持电极结构的稳定性；碳水化合物裂解碳包覆上述硅碳材料，形成硅碳复合材料，缓解或抑制硅在循环过程中由于体积膨胀导致的电极性能下降。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
2、本专利技术的首要方面是提供一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料由以下组分构成：石墨或类石墨碳骨架，弥散在碳骨架中的硅颗粒，以及最外层的碳包覆层；所述碳包覆层将硅颗粒封装在内部。
3、进一步的，所述碳骨架由单质碳材料经瞬态高温烧结而成，硅颗粒由硅粉经熔融铺展而成，碳包覆层由碳水化合物经瞬态裂解而成，所述瞬态高温烧结、熔融铺展和瞬态裂解在同一装置内一步完成。
4、进一步的，所述硅碳复合材料中硅含量在10~50wt%，所述硅颗粒粒径在150nm以下，所述硅碳复合材料颗粒粒径在5~25 μm之间。
5、本专利技术的再一方面是提供上述硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6、s1 制备碳/硅/碳水化合物混合前驱体粉末，具体包括：
7、s1-1 以有机溶剂为分散介质，在保护气氛下球磨粗硅粉末，获得球磨硅粉；
8、s1-2 分别称取单质碳材料、步骤s1获得的球磨硅粉和碳水化合物，加入有机溶剂，充分搅拌使三种材料混合均匀，获得混合浆料；
9、s1-3 将步骤s1-2获得的混合浆料造粒，干燥，获得碳/硅/碳水化合物混合前驱体粉末；
10、s2 利用高频热等离子体装置制备硅碳复合材料，具体包括：
11、s2-1 高频热等离子体装置产生稳定的热等离子体弧后，通过加料器将上述前驱体粉末输送进入等离子体弧；
12、s2-2 在等离子弧和反应器内，单质碳材料瞬态高温烧结形成石墨或类石墨碳骨架；硅粉熔融后铺展，进一步细化，形成超细硅颗粒，分散填充在碳骨架表面和间隙内；碳水化合物瞬态裂解形成碳包覆层，将硅颗粒完全包覆封装，形成硅碳复合材料；
13、s2-3载气将硅碳复合材料输送至产物收集系统，收集得到硅碳复合材料产品。
14、进一步的，步骤s1-1中所述球磨的方法包括行星磨或砂磨，球磨后硅粉粒径在200nm以下。
15、进一步的，步骤s1-1中所述的粗硅粉末为冶金硅或多晶硅粉；步骤s1-2中所述的单质碳材料为人造石墨、天然鳞片石墨和多孔碳中的一种或多种，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料由以下组分构成：石墨或类石墨碳骨架，弥散在碳骨架中的硅颗粒，以及最外层的碳包覆层；所述碳包覆层将硅颗粒封装在内部。
2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述碳骨架由单质碳材料经瞬态高温烧结而成，硅颗粒由硅粉经熔融铺展而成，碳包覆层由碳水化合物经瞬态裂解而成，所述瞬态高温烧结、熔融铺展和瞬态裂解在同一装置内一步完成。
3. 根据权利要求1或2所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料中硅含量在10~50wt%，所述硅颗粒粒径在150nm以下，所述硅碳复合材料颗粒粒径在5~25 μm之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S1-1中所述球磨的方法包括行星磨或砂磨，球磨后硅粉粒径在200nm以下。
6. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S1-1中所述的粗硅粉末为冶金硅或多晶硅粉；步骤S1-2中所述的单质碳材料为人造石墨、天然鳞片石墨和多孔碳中
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S1-3中所述造粒的方法为喷雾造粒或干燥粉碎造粒。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S1-3中所获得的前驱体粉末中硅元素和碳元素的质量比为（1~4）∶（6~9），碳元素中碳水化合物所含碳元素和单质碳材料所含碳元素的质量比为1∶（1~3）。
9. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤S2-1中所述等离子体装置的功率为10~200 kW，加料器的加料速率为每10 kW功率1~8 g/min。
10.根据权利要求1-3任一项所述的硅碳复合材料的用途，作为锂离子电池负极材料。
...【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料由以下组分构成：石墨或类石墨碳骨架，弥散在碳骨架中的硅颗粒，以及最外层的碳包覆层；所述碳包覆层将硅颗粒封装在内部。
2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述碳骨架由单质碳材料经瞬态高温烧结而成，硅颗粒由硅粉经熔融铺展而成，碳包覆层由碳水化合物经瞬态裂解而成，所述瞬态高温烧结、熔融铺展和瞬态裂解在同一装置内一步完成。
3. 根据权利要求1或2所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料中硅含量在10~50wt%，所述硅颗粒粒径在150nm以下，所述硅碳复合材料颗粒粒径在5~25 μm之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤s1-1中所述球磨的方法包括行星磨或砂磨，球磨后硅粉粒径在200nm以下。
6. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁方利，董元江，金化成，李保强，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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