一种高导电硅碳复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导电硅碳复合材料的制备方法，所述的制备步骤包含：(1)将碳源1溶于有机溶剂1中，形成质量分数为4％-100％的均一溶液A，(2)称取硅源加入溶液A中，混合均匀得到产品B，干燥得到产品C，本发明专利技术制备的高导电硅碳复合材料具有金属粒子均匀掺杂的高导电石墨化碳层的硅碳复合材料，该制备过程周期短，且碳源与硅源表面会形成氢键，所得到的硅碳结合好结构稳定，作为锂离子电池负极材料，缓解了硅的体积效应，使其具有优异的电化学性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种高导电硅碳复合材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及复合材料制备
，尤其涉及一种高导电硅碳复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]硅作为锂离子电池负极材料具有高理论比容量，但在脱嵌锂过程中伴随着巨大的体积效应，导致其循环性能差。硅与碳复合制备硅碳复合材料，即具有高比容量，也拥有优异的循环性能，均匀的掺杂能够进一步提升复合材料的导电性。目前，一般硅碳复合材料需要在高压或高温条件下制备，往往需要价格高昂的原料(如纳米硅、多巴胺等)以及具有危险性且不经济的仪器(如化学气相沉积仪、水热釜、喷雾热解仪等)，制备工艺复杂，制备周期长，硅碳结合强度低且均匀金属掺杂难以实现。如Xu等(QUAN X,LI J Y,SUN J K,et al.Watermelon-Inspired Si/C Microspheres with Hierarchical Buffer Structures for Densely Compacted Lithium-Ion Battery Anodes[J].Advanced Energy Materials,2016,7(3).)以纳米硅、葡萄糖、PVP和羧甲基纤维素钠为原材料采用复杂的喷雾热解法制备硅碳微球并在气氛中900℃高温煅烧才能得到具有石墨化碳层的Si/C复合材料。Chen等(CHEN X,YING H,CHEN J,et al.Preparation ofgraphene supported porous Si@C ternary composites and their electrochemical performance as high capacity anode materials for Li-ion batteries[J].Ceramics International,2015,41(7):8533-8540.)将空心二氧化硅和GCP在180℃高压水热反应12h才制备SiO2@C复合材料。Jung等(Chul Ho Jung,Jong hyun Choi,Won-Sik Kim，Seong Hyeog Hyeon-Hong.A nanopore-embedded graphitic carbon shell on silicon anode forhighperformance lithium ionbatteries,2018,6,8013)分别采用昂贵的纳米硅、多巴胺为硅源和碳源，FeCl3为改性剂，在具有一定危险性的N2/H2的混合气氛保护下900℃高温下碳化3h才得到具有铁掺杂的硅碳材料(Fe
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GC@Si)。综上所述目前硅碳复合材料特别是高导电的硅碳复合材料往往需要高温、高压或含有氢气等危险气氛下制备，有一定危险性，原料昂贵，制备工艺复杂且周期时间长，尤其硅碳结构强度强、金属均匀掺杂的高导电的硅碳复合材料的制备方法非常少。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种高导电硅碳复合材料的制备方法，通过在低温常压下煅烧就可制备具有金属粒子均匀掺杂的高导电石墨化碳层的高导电硅碳复合材料，该制备过程周期短，且碳层与硅源表面会形成氢键，所得到的复合材料硅碳结合好结构稳定，作为锂离子电池负极材料，缓解了硅的体积效应，使其具有优异的电化学性能，解决了制备硅碳复合材料需在高压、高温或H2气氛中煅烧等危险条件下制备，而且周期长、耗能高、硅碳结合程度低、碳层导电率低的问题。
[0004]一种高导电硅碳复合材料的制备方法，制备步骤包含；
[0005](1)将碳源1溶于有机溶剂中，形成质量分数为4％-100％的均一溶液A；
[0006](2)称取硅源加入溶液A中，混合均匀得到产品B，干燥得到产品C；
[0007](3)称取碳源2，溶于去离子水中，形成质量分数为8％-75％的低流动性均一溶液D；
[0008](4)将产品C加入溶液D中混合均匀，得到溶液E；
[0009](5)向胶体E中加入0.005-1mol/L交联剂水溶液，混合均匀后并干燥得到产品F；
[0010](6)将产品F放在保护气体保护下煅烧2-6h，再通过研磨得到颗粒直径为80nm-50μm的硅碳复合材料成品。
[0011]进一步的，步骤(1)中碳源1为聚甲基丙烯酸甲酯、聚三氟氯乙烯、乙丙橡胶、聚偏氟乙烯、丙醇、环已酮、四氢呋喃中的一种或几种；步骤(1)中的有机溶剂为正辛烷、异戊二烯、四氯化碳、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。
[0012]进一步的，步骤(1)中碳源1和/或有机溶剂为乙醇。
[0013]进一步的，步骤(2)中碳源1与硅源质量比为2:1-1:8，步骤(3)中碳源1与碳源2质量比为2:1-1:4。
[0014]进一步的，步骤(2)中硅源为冶金级单晶硅粉、冶金级多晶硅粉、多孔硅、氧化亚硅颗粒中的一种或几种，颗粒平均直径为50nm-50μm。
[0015]进一步的，步骤(3)中碳源2为羧甲基纤维素纳、丁苯橡胶、海藻酸纳、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一种或几种。
[0016]进一步的，步骤(2)、步骤(4)和步骤(5)中混合方式为机械搅拌、球磨或磁力搅拌中的一种，时间为2-12h，转速为20-300r/min。
[0017]进一步的，步骤(2)干燥方式为真空干燥、鼓风干燥中的一种，干燥温度为60-120℃，步骤(5)干燥方式为低温干燥、冷冻干燥中的一种，干燥温度为零度至零下200℃。
[0018]进一步的，步骤(5)中交联剂为碳酸钙、氯化钙、硫酸钙、氯化镁、硫酸镁、氯化铁、硫酸铁、氯化镍、硫酸镍、硝酸银中的一种或几种。
[0019]进一步的，步骤(6)中煅烧温度为350-650℃，保护气体为氩气或氮气，气体流速为50-200ml/min。
[0020]本专利技术与现有技术相比具有的有益效果是：选用碳源1为聚甲基丙烯酸甲酯、聚三氟氯乙烯、乙丙橡胶、聚偏氟乙烯、丙醇、环已酮、四氢呋喃中的一种或几种，且干燥方式为真空干燥或鼓风干燥，则干燥后碳源1会在硅表面形成具有网孔状碳源1包覆层的产品C，加入溶液D中会形成水包油相保护碳源1包覆层。选用碳源2为羧甲基纤维素纳、丁苯橡胶、海藻酸纳、聚丙烯酸、聚乙烯醇中的一种或几种，其分子上均具有大量羧基易于具有网孔状碳源1包覆层的裸露处硅源表面形成氢键，硅碳形成强结合，且低流动性的溶液D会固定产品C,混合均匀后使产品C均匀分布于溶液D中，在添加交联剂后，进一步增加碳源2的交联度，增强碳源2的结构稳定性，同时交联剂中金属粒子通过搅拌均匀分布在碳源2中，经过低温干燥或冷冻干燥将碳源2、金属粒子、碳源1包覆层以及硅源相对位置固定，通过在常压中低温煅烧原位碳化可以获得双碳层的硅碳复合材料，内碳层为碳源1包覆层碳化形成，外碳层为碳源2碳化所得，为结构稳定、金属均匀掺杂、高导电的石墨化碳层，该结构能够抑制硅源在脱嵌锂过程中的体积膨胀，加强了材料的结构稳定性，同时提升材料的导电性，提高了材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能。当碳源1为乙醇时，有机溶剂1也为乙醇本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高导电硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述的制备步骤包含：(1)将碳源1溶于有机溶剂中，形成质量分数为4％-100％的均一溶液A；(2)称取硅源加入溶液A中，混合均匀得到产品B，干燥得到产品C；(3)称取碳源2，溶于去离子水中，形成质量分数为8％-75％的低流动性均一溶液D；(4)将产品C加入溶液D中混合均匀，得到溶液E；(5)向胶体E中加入0.005-1mol/L交联剂水溶液，混合均匀后并干燥得到产品F；(6)将产品F放在保护气体保护下煅烧2-6h，再通过研磨得到颗粒直径为80nm-50μm的硅碳复合材料成品。2.根据权利要求1所述的一种高导电硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中碳源1为聚甲基丙烯酸甲酯、聚三氟氯乙烯、乙丙橡胶、聚偏氟乙烯、丙醇、环已酮、四氢呋喃中的一种或几种；所述步骤(1)中的有机溶剂为正辛烷、异戊二烯、四氯化碳、N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的一种高导电硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中碳源1和/或有机溶剂为乙醇。4.根据权利要求1所述的一种高导电硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中碳源1与硅源质量比为2:1-1:8，所述步骤(3)中碳源1与碳源2质量比为2:1-1:4。5.根据权利要求1所述的一种高导电硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：万文文，汪必如，
申请(专利权)人：万文文，
类型：发明
国别省市：