一种硅基负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种硅基负极材料及其制备方法和应用。制备方法包括：通过席夫碱缩合方法制备得到多孔碳质基底；将多孔碳质基底置于反应容器内，并将硅烷类物质通入反应容器，通过沉积反应在多孔碳质基底上制备纳米硅，得到纳米硅沉积多孔碳基底；将所述纳米硅沉积多孔碳基底置于回转炉中，在保护气氛下通入有机气源进行化学气相沉积，对所述纳米硅沉积多孔碳基底进行软碳包覆，得到所述硅基负极材料。本发明专利技术以具有共价有机框架结构的多孔碳材料所具有的高比表面积来定向诱导硅烷沉积，同时给裂解的纳米硅予以束缚，并通过气相沉积软碳包覆进一步缓解体积膨胀，从而获得具有高容量高首效的硅基负极材料。效的硅基负极材料。效的硅基负极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种硅基负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及材料
，尤其涉及一种硅基负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]负极材料是锂离子电池技术最关键的材料之一。目前市售的石墨负极由于其低克容量已经到达了其技术瓶颈。而硅是最有希望取代它的锂离子负极材料之一。硅基负极材料本身具有的体积膨胀效应，导电性差等一系列缺点，限制了其实际应用。因此，如何改进硅基材料并能够发挥其能量密度的优势是当前研究的重点之一。

技术实现思路

[0003]本专利技术实施例提供了一种硅基负极材料及其制备方法和应用，以具有共价有机框架结构的多孔碳材料所具有的高比表面积来定向诱导硅烷沉积，同时给裂解的纳米硅予以束缚，并通过气相沉积软碳包覆进一步缓解体积膨胀，从而制备具有高容量高首效的硅基负极材料。
[0004]第一方面，本专利技术实施例提供了一种硅基负极材料的制备方法，包括：通过席夫碱缩合方法制备得到多孔碳质基底；将多孔碳质基底置于反应容器内，并将硅烷类物质通入反应容器，通过沉积反应在多孔碳质基底上制备纳米硅，得到纳米硅沉积多孔碳基底；将所述纳米硅沉积多孔碳基底置于回转炉中，在保护气氛下通入有机气源进行化学气相沉积，对所述纳米硅沉积多孔碳基底进行软碳包覆，得到所述硅基负极材料。
[0005]优选的，所述硅基负极材料的组成包括多孔碳、纳米硅和软碳；其中，多孔碳内部沉积纳米硅，外部包覆软碳；所述多孔碳为共价有机框架（COFs）材料。
[0006]优选的，所述通过席夫碱缩合方法制备得到多孔碳质基底具体包括：将摩尔比1：1：1的胺类化合物、羰基类化合物和甲醇均匀混合，对混合物进行球磨，得到粗产品；将所述粗产品进行洗涤、干燥，得到多孔碳质基底；其中，所述胺类化合物包括：三聚氰胺、壳聚糖、1,3,5
‑
三（4
‑
氨苯基)苯、对苯二胺、四(4
‑
氨基苯基)甲烷中的一种或几种；所述羰基类化合物包括：2,4,6
‑
三甲酰基间苯三酚、柠檬醛、2,5
‑
二甲氧基苯
‑
1,4
‑
二甲醛、均三苯甲醛、对苯二甲醛中的一种或几种。
[0007]进一步优选的，所述球磨的转速为100
‑
2000rpm，所述球磨的时间为4
‑
24小时。
[0008]优选的，所述硅烷类物质包括：三(三甲硅基)硅烷、甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、三氯化硅、氯硅烷、六甲基二硅烷、甲基乙烯基二氯硅烷、二甲基乙烯基氯硅烷或乙烯基三氯硅烷中的一种或几种。
[0009]优选的，所述沉积反应包括气相沉积或者等离子体沉积。
[0010]优选的，所述化学气相沉积的温度为500
‑
800℃，时间为2
‑
4小时；所述有机气源包括：甲烷、乙炔、丙烯或丙烷中的一种或多种。
[0011]第二方面，本专利技术实施例提供了一种第一方面所述的制备方法制备得到的硅基负极材料。
[0012]第三方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池极片，包括上述第二方面所述的硅基负极材料。
[0013]第四方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池，包括上述第三方面所述的锂电池极片。
[0014]本专利技术提出的硅基负极材料的制备方法，通过席夫碱缩合方法制备得到的多孔碳质基底为高比表面积的共价有机框架材料，能够诱导硅烷类物质的沉积形成纳米硅，同时通过共价有机框架材料给裂解的纳米硅予以束缚，提供硅基材料体积膨胀的空间，并且还能给锂离子的传输提供了不同的通道。通过气相沉积软碳包覆，实现了对纳米硅表面更为完整的碳包覆，并且给多孔碳二次束缚，保证了硅基负极材料良好的循环性能。不仅如此，本专利技术制备方法简单，适合大批量工业化生产的应用，具有潜在的市场价值。
附图说明
[0015]下面通过附图和实施例，对本专利技术实施例的技术方案做进一步详细描述。
[0016]图 1 是本专利技术实施例的硅基负极材料的制备方法的流程图。
具体实施方式
[0017]下面通过附图和具体的实施例，对本专利技术进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本专利技术，即并不意于限制本专利技术的保护范围。
[0018]本专利技术提出了一种硅基负极材料的制备方法，主要步骤流程如图1所示，包括：步骤110，通过席夫碱缩合方法制备得到多孔碳质基底；具体过程包括：将摩尔比1：1：1的胺类化合物、羰基类化合物和甲醇均匀混合，对混合物进行球磨，球磨的转速为100
‑
2000rpm，球磨的时间为4
‑
24小时，得到粗产品；对粗产品进行洗涤、干燥，得到多孔碳质基底。其中，胺类化合物包括：三聚氰胺、壳聚糖、1,3,5
‑
三（4
‑
氨苯基)苯、对苯二胺、四(4
‑
氨基苯基)甲烷中的一种或几种；羰基类化合物包括：2,4,6
‑
三甲酰基间苯三酚、柠檬醛、2,5
‑
二甲氧基苯
‑
1,4
‑
二甲醛、均三苯甲醛、对苯二甲醛中的一种或几种。
[0019]优选的，羰基类化合物为含羰基的醛、酮类化合物，它们与胺类化合物进行亲核加成反应，在甲醇的催化作用下完成亲核加成反应，形成中间物然后进一步脱水形成席夫碱，作为多孔碳质基底。
[0020]步骤120，将多孔碳质基底置于反应容器内，并将硅烷类物质通入反应容器，通过沉积反应在多孔碳质基底上制备纳米硅，得到纳米硅沉积多孔碳基底；具体的，硅烷类物质包括：三(三甲硅基)硅烷、甲硅烷、乙硅烷、四氟硅烷、三氯化硅、氯硅烷、六甲基二硅烷、甲基乙烯基二氯硅烷、二甲基乙烯基氯硅烷或乙烯基三氯硅烷中的一种或几种。
[0021]在向反应容器内通入硅烷类物质的同时还通入保护气氩气，以隔绝空气或氧气的环境。当硅烷类物质为液态物质时，可以用保护气作为载气，携带液态的硅烷类物质进入反
应容器。
[0022]沉积反应可包括气相沉积或者等离子体沉积。
[0023]步骤130，将纳米硅沉积多孔碳基底置于回转炉中，在保护气氛下通入有机气源进行化学气相沉积，对纳米硅沉积多孔碳基底进行软碳包覆，得到硅基负极材料。
[0024]保护气氛优选为氩气，所通入的有机气源可以选自：甲烷、乙炔、丙烯或丙烷中的一种或多种。
[0025]化学气相沉积的温度为500
‑
800℃，保温时间为2
‑
4小时。保温后,关闭有机气源降温后即得硅基负极材料。
[0026]硅基负极材料的组成包括多孔碳、纳米硅和软碳；多孔碳内部沉积纳米硅，外部包覆软碳；本专利技术硅基负极材料中的多孔碳为共价有机框架（COFs）材料，是由π
‑
共轭构筑单元通过共价键连接形成的具有二维拓扑结构的晶态多孔材料，具有高结晶性、高的孔隙率和比表面积。
[0027]以上制备硅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅基负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：通过席夫碱缩合方法制备得到多孔碳质基底；将多孔碳质基底置于反应容器内，并将硅烷类物质通入反应容器，通过沉积反应在多孔碳质基底上制备纳米硅，得到纳米硅沉积多孔碳基底；将所述纳米硅沉积多孔碳基底置于回转炉中，在保护气氛下通入有机气源进行化学气相沉积，对所述纳米硅沉积多孔碳基底进行软碳包覆，得到所述硅基负极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述硅基负极材料的组成包括多孔碳、纳米硅和软碳；其中，多孔碳内部沉积纳米硅，外部包覆软碳；所述多孔碳为共价有机框架（COFs）材料。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述通过席夫碱缩合方法制备得到多孔碳质基底具体包括：将摩尔比1：1：1的胺类化合物、羰基类化合物和甲醇均匀混合，对混合物进行球磨，得到粗产品；将所述粗产品进行洗涤、干燥，得到多孔碳质基底；其中，所述胺类化合物包括：三聚氰胺、壳聚糖、1,3,5
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三（4
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氨苯基)苯、对苯二胺、四(4
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氨基苯基)甲烷中的一种或几种；所述羰基类化合物包括：2,4,6
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三甲酰基间苯三酚、柠檬醛、2,5
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【专利技术属性】
技术研发人员：潘明军，罗飞，
申请(专利权)人：溧阳天目先导电池材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：