一种碳硅负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳硅负极材料及其制备方法，该碳硅负极材料为具有核部和壳部的核壳结构，所述核部为负载有纳米硅的多孔碳材料，所述壳部为包覆所述核部的导电碳层，所述导电碳层中包含有导电剂和由有机裂解碳源裂解形成的有机裂解碳。碳硅负极材料的制备方法是利用多孔碳材料的孔隙和表面负载纳米硅，缓解纳米硅的体积膨胀问题；通过水解有机硅源生成纳米硅，克服了纳米硅制备成本高、团聚等问题；采用有机裂解碳和导电剂作为导电碳层，包覆在负载有纳米硅的多孔碳材料，隔离了电解液的侵蚀，保证了材料结构的稳定性。本发明专利技术的碳硅负极材料具有优异的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种碳硅负极材料及其制备方法
本专利技术涉及电池材料
，具体涉及一种碳硅负极材料及其制备方法。
技术介绍
目前商业化的锂离子电池的负极材料大多采用石墨碳材料，它具有循环稳定性好、寿命长、成本低、导电性优异等特点，但容量己接近理论值372mA·h/g，无法满足当今市场对高能量密度锂离子电池日益增加的需求，开发新型高能量密度、高性能负极材料迫在眉睫，而硅的理论容量达4200mA·h/g，并且脱锂电位平台较低，不易产生析锂，安全性能更好，成为目前最具有开发潜力的锂离子电池负极材料之一。近年来硅碳负极材料已经成功应用到了新能源汽车等领域，并显示出了优异的能量密度。但由于硅材料导电性差，且硅在脱嵌锂过程中伴随着巨大的体积变化(高达300％)，随着锂离子的嵌入和脱出使材料体积发生上述膨胀与收缩产生的机械作用力会使材料在循环过程中逐渐粉化，最终导致电极材料与集流体脱离，丧失电接触，电池循环性能大大降低。针对硅负极存在的问题，目前主要通过将硅纳米化后再与石墨为主的缓冲基材复合来抑制体积膨胀，提升电学性能，但此方法工艺复杂、纳米硅易团聚且制备成本高，限制了其应用。因此，开发一种制备方法简单、成本低，并且电化学性能优异的锂离子电池负极材料是锂离子电池领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为解决上述现有的锂离子电池负极材料存在的硅材料体积膨胀、纳米硅易团聚且制备成本高的问题，本专利技术提供了一种新的碳硅负极材料及其制备方法。本专利技术提供一种碳硅负极材料，所述碳硅负极材料为具有核部和壳部的核壳结构，所述核部为负载有纳米硅的多孔碳材料，所述壳部为包覆所述核部的导电碳层，所述导电碳层中包含有导电剂和由有机裂解碳源裂解形成的有机裂解碳。优选地，所述多孔碳材料的粒径为1μm～20μm，孔隙率为20％～60％；所述导电碳层的厚度为0.01μm～1μm。优选地，所述多孔碳材料为多孔人造石墨、多孔天然石墨、多孔硬碳、多孔软碳和多孔中间相碳微球中的至少一种；所述有机裂解碳源为沥青、酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂、葡萄糖和蔗糖中的至少一种；所述导电剂为乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、纳米碳纤维、纳米活性炭和石墨导电剂中的至少一种。优选地，在所述碳硅负极材料中，所述多孔石墨的含量为20wt％～80wt％，所述纳米硅的含量为5wt％～50wt％，所述导电碳层的含量为10wt％～40wt％。本专利技术还提供一种碳硅负极材料的制备方法，包括以下步骤：S1、使用有机硅溶液浸润多孔碳材料，并加入醇或水反应，反应后对产物进行烘干，得到负载有纳米二氧化硅的多孔碳材料的第一前驱体；S2、将所述第一前驱体与还原剂混合，在保护气氛下进行第一次煅烧，得到负载有纳米硅的多孔碳材料的第二前驱体；S3、将所述第二前驱体与有机裂解碳源和导电剂混合，在惰性气体保护下进行第二次煅烧，形成包覆于所述第二前驱体的表面的导电碳层，得到所述碳硅负极材料。优选地，所述有机硅溶液的溶质体积浓度为10％～100％，其中，所述有机硅溶液的溶质为卤代硅烷和/或正硅酸乙酯，所述有机硅溶液的溶剂为正己烷、正庚烷、正戊烷、苯中的至少一种；所述多孔碳材料为多孔人造石墨、多孔天然石墨、多孔硬碳、多孔软碳、多孔中间相碳微球中的至少一种；所述还原剂为碳粉、镁粉、铝粉的至少一种；所述保护气氛为氩气或氩气与氢气的混合气；所述有机裂解碳源为沥青、酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂、葡萄糖、蔗糖中的至少一种；所述导电剂为乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、纳米碳纤维、纳米活性炭、石墨导电剂中的至少一种。优选地，所述多孔碳材料的粒径为1μm～20μm，孔隙率为20％～60％；所述保护气氛为氩气与氢气的混合气，其中，氢气的体积浓度在10％以下；所述有机裂解碳源的中值粒径为1μm～5μm；所述导电剂的中值粒径为50nm～100nm。优选地，所述第二前驱体与所述导电剂的质量比为100:0.1～100:0.5；所述第二前驱体与所述有机裂解碳源的质量比为1:0.1～1:0.6。优选地，所述步骤S1具体包括：使用所述有机硅溶液浸润所述多孔碳材料，并加入醇或水反应，反应后将所述产物依次在5℃～100℃条件下、100℃～200℃条件下进行加热，得到所述第一前驱体；所述步骤S2具体包括：将所述第一前驱体与所述还原剂混合，在保护气氛、300℃～1700℃条件下进行所述一次煅烧，将生成物依次用酸和水洗涤至pH值为中性，得到所述第二前驱体；所述步骤S3具体包括：将所述第二前驱体与所述有机裂解碳源、所述导电剂加入到包覆设备中，在惰性气体保护下搅拌混合0.5～1h；然后在500℃～1000℃条件下进行煅烧，得到所述碳硅负极材料。本专利技术提供的碳硅负极材料的制备方法，采用多孔碳材料为纳米硅的体积膨胀提前预留空间，能极大的缓解纳米硅的体积膨胀问题；通过水解有机硅源生成纳米硅，使其附着在多孔碳材料内部及多孔碳材料表面，克服了纳米硅制备成本高、团聚等问题；采用有机碳源裂解生成导电碳层，包覆在负载有纳米硅的多孔碳材料，隔离了电解液的侵蚀，保证了材料结构的稳定性。附图说明通过结合附图进行的以下描述，使得本专利技术的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：图1为本专利技术实施例中碳硅负极材料的结构示意图；图2为本专利技术实施例1中碳硅负极材料的扫描电镜表征图。具体实施方式以下，将参照附图来详细描述本专利技术的实施例。虽然可以以许多不同的形式来实施本专利技术，并且本专利技术不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本专利技术的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本专利技术的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。球体颗粒的粒径由于太小难以精确测量，因此通常是用直径表示。中值粒径，用D50表示，是指一个样品的累计粒度分布百分数达到50％时所对应的粒径。它的物理意义是指粒径大于它的颗粒占50％，小于它的颗粒也占50％，D50也叫中位径，常用来表示粉体的平均粒度。本专利技术的实施例提供了碳硅负极材料的制备方法，包括步骤：S1、使有机硅溶液浸润多孔碳材料，并加入醇或水反应，反应后对产物进行烘干，得到第一前驱体。其中，所述有机硅溶液的溶质浓度为10％～100％。其中，所述有机硅溶液的溶质是有机硅化合物，具体可以选择卤代硅烷和/或正硅酸乙酯，所述有机硅溶液的溶剂为有机溶剂，具体可以选择正己烷、正庚烷、正戊烷、苯中的至少一种。多孔碳材料为多孔人造石墨、多孔天然石墨、多孔硬碳、多孔软碳和多孔中间相碳微球中的至少一种。优选粒径为1μm～20μm的多孔碳材料。优选孔隙率为20％～60％的多孔碳材料。多孔隙的碳材料更易吸收含硅溶液，同时为孔隙间的纳米硅的体积膨胀提前预留了空间，能极大地缓解纳米硅的体积膨胀问题，但孔隙过大会使得获得的硅碳负极材料存在压实密度低等问题。有机硅溶液浸润多孔碳材料，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳硅负极材料，其特征在于：所述碳硅负极材料为具有核部和壳部的核壳结构，所述核部为负载有纳米硅的多孔碳材料，所述壳部为包覆所述核部的导电碳层，所述导电碳层中包含有导电剂和由有机裂解碳源裂解形成的有机裂解碳。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳硅负极材料，其特征在于：所述碳硅负极材料为具有核部和壳部的核壳结构，所述核部为负载有纳米硅的多孔碳材料，所述壳部为包覆所述核部的导电碳层，所述导电碳层中包含有导电剂和由有机裂解碳源裂解形成的有机裂解碳。


2.根据权利要求1所述的碳硅负极材料，其特征在于：所述多孔碳材料的粒径为1μm～20μm，孔隙率为20％～60％；所述导电碳层的厚度为0.01μm～1μm。


3.根据权利要求1所述的碳硅负极材料，其特征在于：所述多孔碳材料为多孔人造石墨、多孔天然石墨、多孔硬碳、多孔软碳和多孔中间相碳微球中的至少一种；所述有机裂解碳源为沥青、酚醛树脂、糠醛树脂、环氧树脂、葡萄糖和蔗糖中的至少一种；所述导电剂为乙炔黑、石墨烯、碳纳米管、纳米碳纤维、纳米活性炭和石墨导电剂中的至少一种。


4.根据权利要求1～3任一所述的碳硅负极材料，其特征在于：在所述碳硅负极材料中，所述多孔石墨的含量为20wt％～80wt％，所述纳米硅的含量为5wt％～50wt％，所述导电碳层的含量为10wt％～40wt％。


5.一种碳硅负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、使用有机硅溶液浸润多孔碳材料，并加入醇或水反应，反应后对产物进行烘干，得到负载有纳米二氧化硅的多孔碳材料的第一前驱体；
S2、将所述第一前驱体与还原剂混合，在保护气氛下进行第一次煅烧，得到负载有纳米硅的多孔碳材料的第二前驱体；
S3、将所述第二前驱体与有机裂解碳源和导电剂混合，在惰性气体保护下进行第二次煅烧，形成包覆于所述第二前驱体的表面的导电碳层，得到所述碳硅负极材料。


6.根据权利要求5所述的碳硅负极材料的制备方法，其特征在于：
所述有机硅溶液的溶质体积浓度为10％～100％，其中，所述有机硅溶液的溶质为卤代硅烷和/或正硅酸乙酯，所述有机硅溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春松，王亮，郑强勇，罗旺，王峰，崔云龙，
申请(专利权)人：利普同呈江苏新能源科技有限公司，徐州利普同呈新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32