一种硅碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种硅碳复合材料及其制备方法，所述的硅碳复合材料是一种网状结构包覆纳米级的硅的硅碳复合材料。所述的网状结构是指由碳纤维相互缠结形成的结构疏松、内部具有均匀的三维孔洞的结构层，所述的纳米级的硅均匀分散在网状结构的空隙中。本发明专利技术提供两种方法制备所述的硅碳复合材料，其中所述的网状结构由细菌纤维素纤维热解碳化制得。本发明专利技术所述的硅碳复合材料特别适用于锂离子电池负极材料，它不仅具有较高的储锂容量，而且其所具有的特殊结构能够有效缓解硅在锂离子电池充放电过程中产生的体积效应，很大程度上提高负极材料的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及ー种硅碳复合材料及其制备方法，特别是涉及ー种网状结构包覆纳米级的硅的硅碳复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着微电子エ业、汽车行业的快速发展，以及各种便携式通讯设备、个人电脑、小型电子设备的普及，人类对锂离子电池的要求也朝着高能量密度、高功率密度、高安全性、长寿命、快速充放电、轻薄的方向发展。目前，商业化的锂离子电池以石墨为负极材料。石墨的理论比容量只有372mAh/g，这成为提高锂离子电池性能的巨大阻碍，同时石墨的嵌锂电位较高，在电池充放电过程中容易在负极表面聚集ー层锂，会引发电池短路，有爆炸的危险，极度影响电池的安全性。因此，近年来开发高容量、安全性能高的新型负极材料成为锂离子电池领域的研究重点。 目前，具有高比容量的金属合金及金属氧化物引起研究者的关注。其中硅因其具有极高的储锂容量(4200mAh/g)和较低的储锂电位(O. 5V)收到研究者的广泛关注。然而，硅作为锂离子电池负极材料也存在较大的问题电池充放电过程中，负极材料产生严重的体积膨胀效应(硅高达300%)，会引起电极粉化，从而降低电池使用寿命；电池多次充放电会引起负极材料发生团聚，影响电池的循环稳定性。目前解决这些问题的途径主要有①制备纳米尺寸的负极材料，缓解充放电过程中的体积膨胀；②将非活性物质与活性储锂材料复合，降低负极材料的体积膨胀，同时防止活性物质的团聚；③制备特殊结构的负极材料，利用结构优势来缓解负极材料的体积膨胀。在现有的研究中，有人已经在一定程度上解决了以上问题。专利CN1402366A中公开了ー种具有核壳结构的Si-C-X复合负极材料，可以在一定程度上缓解活性物质的团聚和充放电过程中的体积膨胀。研究者首先将含碳前躯体溶于有机溶剂中，再慢慢加入硅合金粉末，形成均匀的溶液。在80°c下挥发有机溶液，得到硅合金-碳前躯体混合物。再将此混合物在惰性气氛中煅烧得到硅合金-碳复合材料。但是这种方法制备复合材料的碳包覆层厚度不均勻，碳层与娃合金之间的结合力较弱，在快速充放电过程中碳层容易与娃合金分离、剥落，严重影响电池的循环稳定性能。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术提出的硅碳复合材料具有三维网状结构，它能够有效减小充放电过程中硅的体积效应，缓解甚至消除负极材料的粉化、脱落现象，从而提高电池的比容量和循环稳定性。本专利技术的ー种硅碳复合材料，是ー种网状结构包覆纳米级的硅的硅碳复合材料，所述的网状结构是指由碳纤维相互缠结形成的结构疏松、内部具有均匀的三维孔洞的结构层，所述的纳米级的硅均匀分散在网状结构的空隙中。在电池充电过程中,锂离子通过网状结构内部的三维孔洞嵌入纳米级的硅中，纳米级的硅体积发生很大的膨胀(300%)。由于纳米级的娃处于网状结构的空隙中，周围有一定的空间，可以在一定范围内承受:纳米级娃的体积膨胀，同时网状结构在受到内部纳米级的硅因体积膨胀而产生的压カ时，它的疏松结构会变得相对密实，且内部三维孔洞会发生一定程度收缩，这种结构变化可以有效缓冲纳米级的硅的体积膨胀，使负极材料整体体积几乎不发生太大的变化，保证负极材料结构和性能的稳定。在电池放电过程中，纳米级的硅将锂离子释放出来，自身体积恢复原状，这时网状结构又从相对密实变得疏松，内部三维孔洞恢复原状。所述的硅碳复合材料的这种结构特征可以充分保证锂离子电池负极材料的循环稳定性能。作为优选的技术方案如上所述的ー种硅碳复合材料，所述的纳米级的硅的平均直径为50 500nm。如上所述的ー种硅碳复合材料，其特征在于，所述的网状结构的厚度为O. 05 2um，所述碳纤维的平均直径为50 300nm。 如上所述的ー种硅碳复合材料，所述的碳纤维由细菌纤维素纤维热解碳化而得，具有导电性和一定的弾性。纳米级的硅均匀分布在由碳纤维组成的网状层。碳纤维具有良好的导电性，保证了纳米级的硅之间的相互联通和材料整体的导电性。同时碳纤维具有一定的弹性，在受到内部纳米级的硅的压カ时，能够发生一定程度的弹性形变，缓解纳米级的硅体积膨胀，当压力消除时，又可以恢复原状。本专利技术还提供了ー种硅碳复合材料的制备方法，包括以下具体步骤(I)将细菌纤维素用打浆机打浆，制备成均匀的细菌纤维素浆料；(2)取部分细菌纤维素浆料，将一定量的纳米级的硅加入到该细菌纤维素浆料中，并加入一定量的表面活性剤，混合均匀，制得含硅细菌纤维素浆料；其中，所述的一定量的娃是指娃为细菌纤维素的10 IOOwt. % ;所述的一定量的表面活性剂为娃的20 IOOwt. % ;所述的表面活性剂为曲拉通-100、十二烧基苯磺酸钠、十二烧基硫酸钠或聚こ烯醇；(3)将所述细菌纤维素浆料与所述含硅细菌纤维素浆料依次倒入布氏漏斗中抽滤并交替铺层叠加，得到含硅的细菌纤维素膜；其中叠加层数为5、7、9或11层，最上层和最下层皆为所述细菌纤维素浆料的铺层，所述细菌纤维素浆料的厚度为O. I 1mm，含硅细菌纤维素浆料层的厚度为O. 5 2mm ;(4)将上步得到的含硅的细菌纤维素膜在保护气氛中碳化处理，使细菌纤维素纤维全部热解碳化形成碳纤维，即得到所述的硅碳复合材料。制得的硅碳复合材料具有均匀的三维网状结构，且纳米级的硅均匀分布在三维网状空隙中。特别适用于锂离子电池负极材料，其首次放电容量在1500mAh/g以上，且具有良好的电池循环性能。如上所述的ー种硅碳复合材料的制备方法，所述的纳米级的硅的平均直径为50 500nmo如上所述的ー种硅碳复合材料的制备方法，步骤(2)将硅与细菌纤维素浆料混合时采用搅拌并配合使用超声分散的方法，使硅均匀地分散在浆料中，同时防止硅的团聚。如上所述的ー种硅碳复合材料的制备方法，所述的碳化处理是将含硅的细菌纤维素膜移入石英管并置于管式炉中，通入惰性气氛保护，以5 20°C /min的升温速率进行升温，直至炉体温度为600 900°C ;保温I 4h后，细菌纤维素纤维热解碳化形成碳纤维；其中保护气氛为IS气或5%氢气与95%!!气的混合气体。本专利技术又提供了另ー种制备硅碳复合材料的制备方法，包括以下具体步骤(I)将细菌纤维素用打浆机打浆，制备成均匀的细菌纤维素浆料。(2)将一定量的纳米级的硅加入到该细菌纤维素浆料中，并加入一定量的表面活性剂，混合均匀，制得含硅细菌纤维素浆料；其中，所述的一定量的硅是指硅为细菌纤维素的10 IOOwt. % ;所述的一定量的表面活性剂为硅的20 IOOwt. % ;所述的表面活性剂为曲拉通-100、十二烧基苯磺酸钠、十二烧基硫酸钠或聚こ烯醇。 (3)将所述含硅细菌纤维素浆料放入冰箱中-15°C冷冻12 36h后，冷冻干燥12 48h，得到干燥的含硅细菌纤维素。冷冻干燥既可以排出细菌纤维素中的水分，又可以保证细菌纤维素的空间结构不被破坏。(4)将上步得到的含硅细菌纤维素在保护气氛中碳化处理，使细菌纤维素纤维全部热解碳化形成碳纤维，即得到所述的硅碳复合材料。制得的硅碳复合材料具有均匀的三维网状结构，且纳米级的硅均匀分布在三维网状空隙中。特别适用于锂离子电池负极材料，其首次放电容量在1500mAh/g以上，且具有良好的电池循环性能。如上所述的ー种硅碳复合材料的制备方法，所述的纳米级的硅的平均直径为50 500nmo如上所述的ー种硅碳复合材料的制备方法，步骤(2)将硅与细菌纤维素浆料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料，其特征是所述的硅碳复合材料是一种网状结构包覆纳米级的硅的硅碳复合材料，所述的网状结构是指由碳纤维相互缠结形成的结构疏松、内部具有均匀的三维孔洞的结构层，所述的纳米级的硅均匀分散在网状结构的空隙中。2.根据权利要求I所述的一种硅碳复合材料，其特征在于，所述的纳米级的硅的平均直径为50 500nm。3.根据权利要求I所述的一种硅碳复合材料，其特征在于，所述的网状结构的厚度为O.05 2um ;所述碳纤维的平均直径为50 300nm。4.根据权利要求I所述的一种硅碳复合材料，其特征在于，所述的碳纤维由细菌纤维素纤维热解碳化而得。5.如权利要求I所述的一种硅碳复合材料的制备方法，其特征是包括以下具体步骤 (1)将细菌纤维素打浆，制备成均匀的细菌纤维素浆料； (2)取部分细菌纤维素浆料，将一定量的纳米级的硅加入到该细菌纤维素浆料中，并加入一定量的表面活性剂，混合均匀，制得含硅细菌纤维素浆料；其中，所述的一定量的硅是指硅为细菌纤维素的10 IOOwt. % ;所述的一定量的表面活性剂为硅的20 IOOwt. % ；所述的表面活性剂为曲拉通-100、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠或聚乙烯醇； (3)将所述细菌纤维素浆料与所述含硅细菌纤维素浆料依次倒入布氏漏斗中抽滤并交替铺层叠加，得到含硅的细菌纤维素膜；其中叠加层数为5、7、9或11层，最上层和最下层皆为所述细菌纤维素浆料的铺层，所述细菌纤维素浆料的厚度为O. I 1mm，含硅细菌纤维素浆料层的厚度为O. 5 2mm ; (4)将上步得到的含硅的细菌纤维素膜在保护气氛中碳化处理，使细菌纤维素纤维全部热解碳化形成碳纤维，即得到所述的硅碳复合材料。6.根据权利要求5所述的一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述的纳米级的硅的平均直径为50 500nm ;步骤(2)将硅与细菌纤维素浆料混合时采用搅拌并配合使用超声分散的方法，使硅均匀地分散在浆料中，同时防止硅的团聚。7.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彪，白雪君，王华平，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：