一种碳包覆硅的复合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碳包覆硅的复合材料的制备方法，包括以下步骤：a)将含有硅合金粉的原料制成纳米颗粒；b)去除所述纳米颗粒中的含有硅合金粉的原料中的非硅元素，得到含硅纳米颗粒；c)将所述含硅纳米颗粒包覆碳层，得到所述碳包覆的复合材料。该方法以硅合金为原料，机械砂磨使得硅铝合金颗粒尺寸达到纳米级别，再通过无机酸腐蚀去铝得到硅颗粒，最后使用有机物包覆后高温碳化，得到碳包覆的硅颗粒作为锂离子电池负极。电化学测试显示出较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、经济等优点，可用于高容量锂离子电池的大规模生产。池的大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆硅的复合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的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372mAh/g)，已无法满足社会发展需求，开发一种高比容量负极材料成为各国研究热点。Si、Sn等金属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Si膨胀连续的收缩会产生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。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]根据本申请的一个方面，提供了一种碳包覆硅的复合材料的制备方法，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]所述碳包覆硅的复合材料的制备方法，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)去除所述纳米颗粒中的硅合金粉中的非硅元素，得到含硅纳米颗粒；
[0007]c)将所述含硅纳米颗粒包覆碳层，得到所述碳包覆的复合材料。
[0008]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，该方法以微米铝硅合金粉为原料，通过砂磨使颗粒达到纳米化，先使用无机酸腐蚀去铝得到硅颗粒，再使用盐酸多巴胺包覆后高温碳化，最终得到碳包覆的硅颗粒。
[0009]可选地，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。
[0010]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％。
[0011]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。
[0012]可选地，步骤a)中，所述纳米颗粒的尺寸为1nm～500nm。
[0013]可选地，步骤a)包括：
[0014]将含有硅合金粉的原料进行砂磨，制成纳米颗粒。
[0015]可选地，步骤b)包括：
[0016]步骤b)包括：将所述纳米颗粒加入含有无机酸的溶液中，去除所述纳米颗粒中的硅合金中的非硅元素，得到所述含硅纳米颗粒。
[0017]可选地，所述无机酸选自盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的至少一种。
[0018]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％。
[0019]可选地，
[0020]步骤c)包括：
[0021]在所述含硅纳米颗粒表面包覆有机物碳源，碳化，得到所述碳包覆硅的复合材料。
[0022]可选地，所述碳化的温度为600℃～1600℃；
[0023]所述碳化的氛围为非活性气氛；所述非活性气氛选自氮气、惰性气体中的至少一种。
[0024]可选地，所述碳化的时间为1～6小时。
[0025]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℃。
[0026]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。
[0027]可选地，步骤c)包括：
[0028]c1)将所述含硅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；
[0029]c2)将所述有机物包覆的纳米颗粒碳化，得到所述碳包覆硅的复合材料。
[0030]可选地，所述有机物碳源选自聚盐酸多巴胺、淀粉中的至少一种；
[0031]所述缓冲剂选自Tris。
[0032]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。
[0033]可选地，所述碳包覆硅的复合材料的颗粒尺寸为10nm～500nm。
[0034]可选地，所述碳包覆硅的复合材料中碳包覆层的重量含量为1％～50％。
[0035]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％、12％、15％、20％、21％、28％、30％、40％或50％；下限选自1％、3％、5％、7％、10％、12％、15％、20％、21％、28％、30％或40％。
[0036]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。
[0037]可选地，所述电极材料为负极材料。
[0038]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。
[0039]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。
[0040]可选地，所述电解液还包括添加剂；所述添加剂的在所述电解液中的质量分数为1～30％。
[0041]可选地，所述电解液的溶剂为碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二乙酯(DMC)。
[0042]可选地，所述电解液中还包括氟代碳酸乙烯酯(FEC)。
[0043]本申请能产生的有益效果包括：
[0044]1)本专利技术的首创一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法，该方法以铝硅合金粉为原料，机械砂磨后成为纳米颗粒。通过与无机酸反应进行腐蚀去铝，再通过包覆有机物后高温碳化，制得碳包覆的硅颗粒。硅碳颗粒尺寸为50nm-500nm，并有一定程度团聚。
[0045]2)本申请所提供的作为锂离子电池负极材料，在制成锂离子电池后，显示出高的比容量和充放电循环稳定性，在1000mA/g电流密度下最高比容量为1272mAh/g，充放电循环500圈还保持有715mAh/g。采用本方法制备的硅碳材料作为锂离子电池负极，具有低成本、高比容量和优异循环稳定性等优点，可用于大规模生产。
附图说明
[0046]图1实施例1制得的含碳量为28wt％硅碳材料的扫面电镜图。
[0047]图2实施例1制得的含碳量分比为12wt％、21wt％和28wt％的硅碳负极材料在1000mA/g电流密度下的循环-效率-比容量图。
[0048]图3实施例1制得的含碳量为28wt％硅碳负极材料在500mA/g电流密度下的循环-本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆硅的复合材料的制备方法，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)去除所述纳米颗粒中的硅合金粉中的非硅元素，得到含硅纳米颗粒；c)将所述含硅纳米颗粒包覆碳层，得到所述碳包覆的复合材料。2.根据权利要求1所述的碳包覆硅的复合材料的制备方法，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所述的碳包覆硅的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤b)包括：步骤b)包括：将所述纳米颗粒加入含有无机酸的溶液中，去除所述纳米颗粒中的硅合金中的非硅元素，得到所述含硅纳米颗粒；优选地，所述无机酸选自盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的至少一种；优选地，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％。4.根据权利要求1所述的碳包覆硅的复合材料的制备方法，其特征在于，步骤c)包括：在所述含硅纳米颗粒表面包覆有机物碳源，碳化，得到所述碳包覆硅的复合材料；优选地，所述碳化的温度为600℃～1600℃；所述碳化的氛...

【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：