【技术实现步骤摘要】
本文涉及一种锂电池负极包覆材料的制备工艺。
技术介绍
1、锂电池负极性能的材料的研发是一个复杂而富有挑战性的项目。现有的研发中，通过引入碳元素、硅元素等方式，已经将负极材料的电学性能提升至传统材料无法达到的高度。尤其是对于碳元素的综合运用，已经无限逼近于碳元素自身的理论比容量值(372mah/g)，这说明了碳元素的继续开发的空间已然不大。
2、对于研发人员而说，进一步的提升负极材料的性能目的，通过引入硅元素(4200mah/g)至锂电池负极材料是一个通常被考虑的策略，因为硅具有比传统碳基材料更高的理论比容量。
3、然而，硅基材料在锂化和脱锂过程中会遭受显著的体积膨胀，这可能导致材料结构破裂、容量快速衰退以及循环寿命缩短。
4、对此，现有的解决方案中，除了减少硅元素的使用量、采用纳米级的硅颗粒之外。在结构方式的改进初步主要是采取三明治的形式，来吸纳硅基材料的变形量，但是效果并不是很好。这主要是由于硅基材料的变形往往是无定向的，且三明治结构引入了更多的分界面，从而降低了电学性能的提升，而且分界面的增加也同步提升了危险程度。三明治形式之后，又引入了碳基骨架的形式，但是碳基骨架的加工难度较大，无法在较为温和的温度环境下制备得到。而同步提出的蜂窝结构与骨架结构面临的问题也较为类似。
5、综上而言，如何想彻底的解决碳硅元素不同的热膨胀率带来的性能缺陷，只能通过微观结构对碳硅的结构以及分布形式进行改进。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本文提出
2、一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其中负极包裹材料包括内部的纳米级硅颗粒，以及包裹在纳米级硅颗粒外部的导电缓冲层，其中整体负极包裹材料的接触面沉积有一层碳层；
3、制备步骤包括以下：
4、s1、制备纳米级硅颗粒，在高温炉内对硅源进行气化，气化后输入定向的辅助气体，辅助气体中含有表面活性剂蒸汽，冷凝时同步进行电场捕集，从而获得纳米级的硅颗粒；该处表面活性剂的作用是提供着陆环境，从而辅助控制颗粒的成型过程，防止颗粒团聚造成颗粒直径过大。
5、s2、在制备得到的纳米级硅颗粒的表面涂覆光敏剂，该光敏剂可以响应指定波长的光；
6、s3、利用自组装单分子膜或表面活性剂在硅颗粒表面形成有序的分子模板，将预处理的硅颗粒投入在多巴胺溶液中，置于特定波长的光下进行辐照，光敏剂激活后产生自由基，引发多巴胺的聚合反应，并通过分子模板的限制，控制导电缓冲层的厚度；
7、s4、清洗去除分子模板以及残留的化学溶液，获得带有导电缓冲层的纳米级硅颗粒；
8、s5、对包裹有导电缓冲层的纳米级硅颗粒通过等离子体进行预处理，提升表面活性，再通过化学气相沉积的方式，将碳源中的碳元素沉积在包裹有导电缓冲层的纳米级硅颗粒的表面形成碳膜，再经过热处理完成定型处理。
9、其中清洗包括以下步骤：
10、s41、将带有导电缓冲层的纳米级硅颗粒浸泡于去离子水中，以溶解表面的小分子杂质；
11、s42、使用triton x-100进行浸泡，帮助去除更大分子或更难溶的杂质；
12、s43、将颗粒置于有机溶剂中进行萃取，以溶解油溶性杂质，如未反应的多巴胺或油溶性表面活性剂；机溶剂是丙酮、异丙醇或甲苯；
13、s44、使用超声振动辅助清洗物质的溶解和脱附，提高清洗效率；
14、s45、使用双蒸馏水多次清洗颗粒，目的在于去除残留的有机溶剂及表面活性剂；
15、s46、使用离心或真空过滤将颗粒从溶剂中分离并收集；
16、s47、采用真空冻干或气流干燥，彻底去除颗粒表面残留的水分。
17、其中s3中一般选用有机硅氧烷单分子膜液作为自组装单分子膜材料，也可以考虑以下的组分形式：
18、自组装单分子膜材料选用长链烷基硅烷，如1h,1h,2h,2h-全氟辛基三甲氧基硅烷(perfluorooctyltrimethoxysilane)或是3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane,aptes)。
19、表面活性剂选用聚山道拉斯醇基-11-醚硫酸脂钠盐(tween 20)光敏剂选用甲基-5-[4-(甲磺酰基)苯基]-2-羟基苯基-苯基甲酮。导电材料单体选用多巴胺盐酸盐(dopamine hydrochloride)。
20、去离子水作为溶剂，并且提供多巴胺聚合的介质。磷酸盐缓冲液(phosphate-buffered saline,pbs)作为其中的缓冲材料。ph调节剂选用盐酸或氢氧化钠，控制溶液的ph值，来进一步优化聚合反应条件。
21、具体参数：
22、多巴胺溶液浓度：1-5mg/ml(根据多巴胺的溶解性调整)。多巴胺溶液中设有缓冲溶液与ph值调节剂。其中最终的ph值为7.4-8.0。温度为室温(20-25℃)，或适当加热以促进分子自组装过程。
23、光辐照强度：100-500mw/cm2(根据光敏剂的吸光特性和所需的光聚合速度)。
24、辐照波长：可选择光敏剂有效吸收的波长，例如在uv-a区350-400nm。
25、辐照时间：从几分钟到几小时不等，取决于聚合层厚度和聚合速率。
26、自组装时间：数小时至一夜，确保单分子膜的稳定形成。
27、进一步的，所述碳层的厚度占总体负极包裹材料的1/8-1/3。
28、进一步的，，s5中热处理的温度为500-800摄氏度，其中热处理的时间为1-3h。
29、为了进一步的降低成本，其中s3中的表面活性剂与s1中的表面活性剂为同一种。
30、有益效果：
31、与现有的结构以及制备方式相比，本方案通过在纳米级硅颗粒的表面涂覆导电缓冲层，可以有效的缓冲硅元素在制备过程中由于受热发生的体积膨胀，从而提升了整体材料的结构稳定性，防止颗粒间接触和机械应力的传递，利于缓冲体积膨胀带来的压力，维持结构的完整性和统一性。
32、另外，通过碳层的外层沉积，可以在电池循环过程中，为硅颗粒提供额外的保护，延长材料的使用寿命。并且碳层与硅颗粒的协同使用时，可以获得较高的理论容量，而且经特殊处理后的负极包裹材料能够减少在首次充电中不可逆的锂耗，从而保持较高的初始容量和容量保持率。
33、同时，与现有的聚合反应相比，本方案中由于使用了光敏剂和光聚合反应等步骤，可能会减少制备过程中的化学废物排放，提高流程的环保性。并且制备流程更加绿色化，且可以通过特定的光敏剂响应和分子模板限制聚合反应，可以精确控制导电缓冲层的厚度和性能，实现材料特性的定制化。如在一些不重要的应用场景下，可以针对性的制备出缓冲保护层更薄的轻量化产品。
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1.一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其特征在于，负极包裹材料包括内部的纳米级硅颗粒，以及包裹在纳米级硅颗粒外部的导电缓冲层，其中整体负极包裹材料的接触面沉积有一层碳层；
2.根据权利要求1所述的一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其特征在于，所属的光敏剂为光异构化二羟基苯酮、酞菁铜络合物、玫瑰红B、苯基丙烯酸酯衍生、如罗丹明系列染料中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其特征在于，其中S4中，清洗包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其特征在于，S3中，自组装单分子模为长链烷基硅烷、有机硅氧烷单分子膜或3-氨基丙基三乙氧基硅烷，表面活性剂为聚山道拉斯醇基-11-醚硫酸脂钠盐。
5.根据权利要求1所述的一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其特征在于，所述碳层的厚度占总体负极包裹材料的1/8-1/3。
6.根据权利要求1所述的一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其特征在于，S5中热处理的温度为500-800摄氏度，其中热处理的时间为1-3h。
7.根
8.根据权利要求1所述的一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其特征在于，其中S3中的表面活性剂与S1中的表面活性剂为同一种。
...【技术特征摘要】
1.一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其特征在于，负极包裹材料包括内部的纳米级硅颗粒，以及包裹在纳米级硅颗粒外部的导电缓冲层，其中整体负极包裹材料的接触面沉积有一层碳层；
2.根据权利要求1所述的一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其特征在于，所属的光敏剂为光异构化二羟基苯酮、酞菁铜络合物、玫瑰红b、苯基丙烯酸酯衍生、如罗丹明系列染料中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其特征在于，其中s4中，清洗包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种锂电池负极包覆材料的制备工艺，其特征在于，s3中，自组装单分子模为长链烷基硅烷、有机硅氧烷单分子膜或3-氨...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙健，经明军，张强，
申请(专利权)人：南京扬子精细化工有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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