一种硅碳材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种硅碳材料的制备方法，包括以下步骤：a)将含有硅合金粉的原料制成纳米颗粒；b)在所述纳米颗粒的表面包覆碳层，得到碳包覆的材料；c)去除所述碳包覆的材料中的硅合金中的非硅元素，得到所述硅碳材料。由于团聚最终得到具有一定结构空隙的微米硅碳材料。通过控制原料合金中硅的含量，可以精确调控所得多孔硅碳材料中的空隙占比，从而设计得到合理的多孔结构的硅碳材料。该具有多孔结构的微米硅碳材料可以作为锂离子电池负极。电化学测试显示出该材料具有高的比容量和优异的循环稳定性。本发明专利技术所制备硅碳材料具有制备简单、经济等优点，可用于高容量锂离子电池的大规模生产。生产。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于电池
，涉及一种长寿命、高容量、高稳定性的锂离子电池硅碳负极材料的制备方法和用途。

技术介绍

[0002]可充电式电池已经广泛地应用于各种电子设备。目前，商业化的锂离子电池在市场上占据主导地位。但是，由于电动汽车及大规模储电的发展，目前商业化锂离子电池负极为石墨类材料(理论比容量为372mAh/g)，已无法满足发展需求，开发一种高比容量负极材料成为各国研究热点。Si、Sn等材料可以和锂发生合金化反应，比容量较高。其中Si与Li在常温下发生合金化反应生成Li
3.75
Si，理论比容量高达3579mAh/g。但是Si在合金化反应时会发生严重的体积膨胀，生成Li
3.75
Si时体积膨胀高达270％。充放电过程中硅的膨胀收缩会导致连续产生SEI，并且使硅颗粒粉化，从集流体上脱落，导致电池性能急剧衰减。针对此类问题，研究者已经提出很多解决方法，比如制备硅纳米线，硅碳核壳结构，纳米硅管等。但是这类材料的制备方法过于复杂，成本很高，无法大规模批量生产。

技术实现思路

[0003]根据本专利技术的一个方面，提供了一种硅碳材料的制备方法，该方法制备简单，经济廉价。所得的硅碳材料作为锂离子电池负极，具有高比容量和优异循环稳定性等优点，可用于大规模生产。
[0004]所述硅碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0005]a)将含有硅合金粉的原料制成纳米颗粒；
[0006]b)在所述纳米颗粒的表面包覆碳层，得到碳包覆的材料；
[0007]c)去除所述碳包覆的材料中的硅合金中的非硅元素，得到所述硅碳材料。
[0008]作为一种实施方式，所述硅碳材料的制备方法包括以下步骤：
[0009]以硅合金粉为原料，通过调控合金中硅的含量(为购买不同硅含量的合金)，包覆碳层，无机酸腐蚀去除合金中非硅元素，得到具有多孔结构的微米硅碳材料。以硅合金(铝硅、铁硅、镁硅合金等)为原料，通过机械砂磨使硅合金颗粒尺寸达到纳米级别；随后通过有机物包覆后高温碳化得到均匀碳层，再使用无机酸腐蚀去除合金中非硅元素，得到碳包覆的硅颗粒和空心碳球的混合物。由于团聚最终得到具有一定结构空隙的微米硅碳材料。通过控制原料合金中硅的含量，可以精确调控所得多孔硅碳材料中的空隙占比，从而设计得到合理的多孔结构的硅碳材料。该具有多孔结构的微米硅碳材料可以作为锂离子电池负极。电化学测试显示出该材料具有高的比容量和优异的循环稳定性。本专利技术所制备硅碳材料具有制备简单、经济等优点，可用于高容量锂离子电池的大规模生产。
[0010]作为一种实施方式，本专利技术提供了一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，该方法以微米硅合金粉为原料，通过砂磨使颗粒达到纳米化，再通过有机物包覆后高温碳化得到碳层，最后使用无机酸腐蚀去除非硅元素，得到具有一定空隙的硅碳复合材料。
[0011]可选地，步骤a)中，所述含有硅合金的原料选自铝硅、铁硅、镁硅合金中的至少一种。
[0012]可选地，步骤a)中，所述含有硅合金粉的原料中的硅合金粉中硅含量为1～99wt％。
[0013]可选地，所述含有硅合金粉的原料为硅铝合金粉。
[0014]可选地，步骤a)中，所述含有硅合金粉的原料中的硅合金粉的颗粒的尺寸为0.01μm～100μm。
[0015]可选地，步骤a)中，所述纳米颗粒的尺寸为1nm～500nm。
[0016]可选地，步骤a)包括：
[0017]将含有硅合金粉的原料进行砂磨，制成纳米颗粒。
[0018]可选地，步骤b)包括：
[0019]在所述纳米颗粒表面包覆有机物碳源，碳化，得到所述碳包覆的材料。
[0020]可选地，所述碳化的温度为600℃～1600℃；
[0021]所述碳化的氛围为非活性气氛；所述非活性气氛选自氮气、氩气中的至少一种。
[0022]可选地，所述碳化的时间为1～6小时。
[0023]可选地，所述碳化的温度的上限选自700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃或1600℃；下限选自600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃或1500℃。
[0024]可选地，所述碳化的时间的上限选自2小时、3小时、4小时、5小时或6小时；下限选自1小时、2小时、3小时、4小时或5小时。
[0025]可选地，
[0026]步骤b)包括：
[0027]b1)将所述纳米颗粒分散在水中，加入缓冲剂和有机物碳源，反应，经分离得到有机物包覆的纳米颗粒；
[0028]b2)将所述有机物包覆的纳米颗粒碳化，得到所述碳包覆的材料。
[0029]可选地，所述有机物碳源选自聚盐酸多巴胺、淀粉、沥青中的至少一种；
[0030]所述缓冲剂选自Tris。
[0031]可选地，所述纳米颗粒、缓冲剂、有机物碳源、水的质量比为1～5：0.1～5：0.5～2.5：87.5～98。
[0032]可选地，步骤b1)还包括：
[0033]将所述纳米颗粒分散在水中，随后加入缓冲剂和有机物碳源，搅拌反应，经分离得到有机物包覆的纳米硅颗粒以及纳米铝颗粒。
[0034]可选地，步骤b2)还包括：
[0035]所述有机物碳源包覆的硅颗粒和铝颗粒经过碳化，得到碳包覆的硅颗粒和碳包覆的铝颗粒。
[0036]可选地，
[0037]步骤c)包括：将所述碳包覆材料加入含有无机酸的溶液中，去除所述碳包覆的材料中的硅合金中的非硅元素，得到所述硅碳材料。
[0038]可选地，所述无机酸选自盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的至少一种。
[0039]可选地，所述含有无机酸的溶液中无机酸的质量分数百分比为0.1％～40％。
[0040]可选地，所述硅碳材料的颗粒尺寸为10nm～500nm。
[0041]可选地，所述碳硅材料为多孔结构。
[0042]可选地，所述碳硅材料中碳的重量含量为1％～60％。
[0043]可选地，所述碳硅材料中碳的重量含量的上限选自3％、5％、7％、10％、15％、20％、30％、40％、50％或60％；下限选自1％、3％、5％、7％、10％、15％、20％、30％、40％或50％。
[0044]可选地，所述碳硅材料含有碳包覆的硅颗粒。
[0045]可选地，所述碳硅材料由碳包覆的硅颗粒和空心碳球组成。
[0046]根据本申请的另一方面，提供一种电极材料，其特征在于，含有所述的硅碳材料中的至少一种。
[0047]可选地，所述电极材料为负极材料。
[0048]根据本申请的再一方面，提供一种锂离子电池，其特征在于，包括所述的电极材料。
[0049]可选地，所述锂离子电池还包括电解液；所述电解液为浓度为0.5～1.5mol/L的LiPF6溶液。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a)将含有硅合金粉的原料制成纳米颗粒；b)在所述纳米颗粒的表面包覆碳层，得到碳包覆的材料；c)去除所述碳包覆的材料中的硅合金中的非硅元素，得到所述硅碳材料。2.根据权利要求1所述的硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤a)中，所述含有硅合金的原料选自铝硅合金、铁硅合金、镁硅合金中的至少一种；优选地，步骤a)中，所述含有硅合金粉的原料中的硅合金粉中硅含量为1～99wt％；优选地，步骤a)中，所述含有硅合金粉的原料中的硅合金粉的颗粒的尺寸为0.01μm～100μm；优选地，步骤a)中，所述纳米颗粒的尺寸为1nm～500nm；优选地，步骤a)包括：将含有硅合金粉的原料进行砂磨，制成纳米颗粒。3.根据权利要求1所述的硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤b)包括：在所述纳米颗粒表面包覆有机物碳源，碳化，得到所述碳包覆的材料；优选地，所述碳化的温度为600℃～1600℃；所述碳化的氛围为非活性气氛；所述非活性气氛选自氮气、氩气中的至少一种；优选地，所述碳化的时间为1～6小时。4.根据权利要求1所述的硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤b)包括：b1)将所述纳米颗粒分散在水中，加入缓冲剂和有机物碳源，反应，经分离得到有机物包覆的纳米颗粒；b2)将所述有机物包覆的纳米颗粒碳化，得到所述碳包覆的材料；优选地，所述有机物碳源选自聚盐酸多巴...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙传福，王维，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：