一种硅碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种硅碳复合材料及其制备方法和应用，所述硅碳复合材料的制备方法包括如下步骤：将含碳有机物和有机溶剂混合，配制有机溶液，将硅颗粒和所述有机溶液混合后进行固化，得到硅

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及复合材料
，具体而言，涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命等优点在便携式电子设备及电动汽车等领域得到了广泛应用，目前商业化的锂离子电池负极材料仍然时以石墨类碳材料为主，但是随着市场需求的不断提升，石墨类材料的研究与开发也接近极限，而且石墨较低的理论容量(372mAh/g)这一本质缺点也无法克服，石墨类碳材料已逐渐不能满足日益增加的电池容量与循环寿命需求，因此开发更高能量密度的负极材料迫在眉睫。
[0003]为了进一步提高锂离子电池的能量密度，选用高比容量的负极材料替代传统的石墨负极材料是一项关键措施。硅以其比容量高(4200mAh/g)、嵌锂电位低、原料来源广泛已经成为最具应用前景的负极材料。然而，硅在嵌脱锂过程中存在严重的体积效应，当其结合锂原子形成合金Li
4.4
Si时，体积膨胀达300％，当锂离子脱出后发生体积收缩，持续的体积变化容易导致材料结构崩塌和电极材料从集流体剥落，造成电极的循环稳定性差，严重缩短了电池的寿命，并严重限制了其商业化应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在解决硅基负极材料在充放电过程中容易发生体积膨胀，使其容易坍塌，导致电池循环稳定性差的问题。
[0005]为解决上述问题，本专利技术提供一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0006]将含碳有机物溶于有机溶剂中，配制有机溶液，将硅颗粒和所述有机溶液混合后进行固化，得到硅
‑
含碳有机物，所述含碳有机物中碳的质量分数高于50％；
[0007]在惰性气体保护下，将所述硅
‑
含碳有机物进行碳化反应，得到硅碳复合材料。
[0008]进一步地，所述硅颗粒采用如下方法制备得到：
[0009]将含硅生物质原料经过酸洗处理后，进行煅烧反应，得到硅前驱体；
[0010]在惰性气体保护下，将所述硅前驱体与镁粉进行镁热反应，得到所述硅颗粒。
[0011]进一步地，所述硅前驱体和所述镁粉的摩尔比为1：0.9
‑
1.2，所述镁热反应的温度为600
‑
900℃，所述镁热反应的时间为1
‑
5h。
[0012]进一步地，所述含碳有机物为常温下呈半固态或液态的树脂类，且所述树脂类在加入固化剂后固化。
[0013]进一步地，所述有机溶剂为乙醇，制备所述硅
‑
含碳有机物包括：将所述硅颗粒和所述有机溶液混合后，搅拌直至所述乙醇完全挥发，再加入固化剂进行固化，得到所述硅
‑
含碳有机物，所述硅颗粒和所述含碳有机物中碳的质量比为1：1
‑
10。
[0014]进一步地，所述碳化反应的温度为600
‑
900℃，所述碳化反应的时间为1
‑
5h。
[0015]本专利技术还提供了一种硅碳复合材料，所述硅碳复合材料采用如上任一项所述的硅
碳复合材料的制备方法制备得到，所述硅碳复合材料为硅颗粒和无定型碳交联形成的二次颗粒，且所述无定型碳形成外壳和内部的骨架，所述硅颗粒嵌在所述无定型碳中。
[0016]进一步地，所述硅碳复合材料的粒径为5
‑
15μm。
[0017]进一步地，所述硅颗粒的粒径为20
‑
50nm，所述硅颗粒和所述无定形碳的质量比为1：1
‑
10。
[0018]本专利技术还提供了一种锂离子电池负极片，所述锂离子电池负极片包括负极活性材料、导电剂和粘结剂，所述负极活性材料采用如上任一项所述的硅碳复合材料的制备方法得到的硅碳复合材料。
[0019]本专利技术提供的硅碳复合材料的制备方法，将硅颗粒分散于含碳有机物的有机溶液中，再经过固化后，得到硅
‑
含碳有机物，将硅
‑
含碳有机物进行碳化反应，得到硅颗粒和无定形碳交联形成的二次颗粒，含碳有机物中碳的含量高于50％，能够使该二次颗粒中硅颗粒嵌在无定形碳中，而无定形碳形成稳定的外壳和内部的三维骨架结构，并包裹嵌在其中的硅颗粒，从而使硅碳复合材料具有较高的结构稳定性，在充放电的过程中在无定形碳的保护下，能避免硅颗粒的体积膨胀严重，出现坍塌现象，且无定形碳为层状结构，具有更多的缺陷和更多的活性中心，有利于储存更多的锂离子传输和电子传导；此外，硅颗粒为纳米结构，粒径较小，缩短了锂离子的传播路径，增加了锂离子的电池容量。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例提供的硅碳复合材料制备方法的工艺流程图；
[0021]图2为本专利技术实施例提供的硅碳复合材料制备方法的示意图；
[0022]图3为本专利技术实施例1中的硅碳复合材料制备的锂离子电池负极片组装的锂离子电池的循环性能图。
具体实施方式
[0023]由于石墨类碳材料已逐渐不能满足日益增加的电池容量与循环寿命需求，为了进一步提高锂离子电池的能量密度，选用高比容量的负极材料替代传统的石墨负极材料是一项关键措施。硅以其比容量高(4200mAh/g)、嵌锂电位低、原料来源广泛已经成为最具应用前景的负极材料。然而，硅在嵌脱锂过程中存在严重的体积效应，当其结合锂原子形成合金Li
4.4
Si时，体积膨胀达300％，当锂离子脱出后发生体积收缩，持续的体积变化容易导致材料结构崩塌和电极材料从集流体剥落，造成电极的循环稳定性差，严重缩短了电池的寿命，并严重限制了其商业化应用。
[0024]现有技术中，往往是将硅粉与有机碳源简单混合后再高温热处理制备硅碳复合材料，虽然在一定程度上改善了循环稳定性，但是仍然无法避免因硅颗粒的体积膨胀严重，导致硅颗粒发生坍塌破坏，使电池的比容量剧烈衰减，严重缩短电池的循环寿命。
[0025]为解决上述问题，本专利技术提供了一种硅碳复合材料的制备方法，通过将硅颗粒和含碳有机物的溶液混合后，进行固化，再进行碳化反应，制备硅碳复合材料，能够得到硅颗粒和无定形碳交联形成的二次颗粒，并使硅颗粒嵌在无定形碳中，而无定形碳形成稳定的外壳和内部的三维骨架结构，从而使硅碳复合材料具有较高的结构稳定性，在充放电的过程中在无定形碳的保护下，能避免硅颗粒的体积膨胀严重，出现坍塌现象。
[0026]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施例做详细的说明。
[0027]需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0028]另外，术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。
[0029]结合图1所示，本专利技术实施例提供了一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0030]将含碳有机物溶于有机溶剂中，配制有机溶液，将硅颗粒和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将含碳有机物溶于有机溶剂中，配制有机溶液，将硅颗粒和所述有机溶液混合后进行固化，得到硅
‑
含碳有机物，所述含碳有机物中碳的质量分数高于50％；在惰性气体保护下，将所述硅
‑
含碳有机物进行碳化反应，得到硅碳复合材料。2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述硅颗粒采用如下方法制备得到：将含硅生物质原料经过酸洗处理后，进行煅烧反应，得到硅前驱体；在惰性气体保护下，将所述硅前驱体与镁粉进行镁热反应，得到所述硅颗粒。3.根据权利要求2所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述硅前驱体和所述镁粉的摩尔比为1：0.9
‑
1.2，所述镁热反应的温度为600
‑
900℃，所述镁热反应的时间为1
‑
5h。4.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述含碳有机物为常温下呈半固态或液态的树脂类，且所述树脂类在加入固化剂后固化。5.根据权利要求1所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇，制备所述硅
‑
含碳有机物包括：将所述硅颗粒和所述有机溶液混合后，搅拌直至所述乙醇完全挥...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凤英，谢春燕，汪嘉伟，张均安，杨家文，
申请(专利权)人：珠海冠宇电池股份有限公司，
类型：发明
国别省市：