一种功能化设计碳涂层包覆硅负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种功能化设计碳涂层包覆硅负极材料及其制备方法，包含以下步骤：S1，选取金属M作为研磨介质，研磨Si和/或SiO

【技术实现步骤摘要】
一种功能化设计碳涂层包覆硅负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电极材料制备领域，具体涉及一种功能化设计碳涂层包覆硅负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]硅负极在充放电过程中由于巨大的体积变化导致性能受到严重影响，从而造成其商业应用的限制。传统的改进方法是采用研磨或气碎的方法把硅或硅氧颗粒研磨到合适的尺寸，再进行碳包覆设计。然而，固相制备的硅负极材料在烧结后容易结块，需要重新破碎，造成新生成的碳包覆层部分破裂，这样就会影响材料的一致性，这也是限制固相法大批量制备硅负极材料的一个主要原因。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是为了克服现有技术中存在的缺点和不足，解决硅负极材料烧结后容易结块，需要重新破碎，造成新生成的碳包覆层部分破裂的问题。因此，有必要研发一种稳定制备碳涂层包覆硅负极材料的制备方法，避免硅负极材料在烧结后结块。
[0004]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种功能化设计碳涂层包覆硅负极材料的制备方法，包含以下步骤：
[0005]S1，选取金属M作为研磨介质，研磨Si和/或SiO
x
粉末以制备M
‑
Si/SiO
x
，部分M分布在其表面形成金属层；在所述M
‑
Si/SiO
x
中，Si/SiO
x
与M的质量比为(100
‑
1000):1；
[0006]S2，在所述M
‑
Si/SiO
x
>添加有机碳源继续研磨，将研磨后的混合物高温碳化从而制备C
‑
M
‑
Si/SiO
x
负极材料；其中，所述有机碳源包含含氮有机物；所述有机碳源与M
‑
Si/SiO
x
的质量比为(0.001～1):1。
[0007]较佳地，所述金属M为Fe、Co、Ni中的一种金属或其合金。
[0008]较佳地，所述步骤S1中制备的M
‑
Si/SiO
x
粒径为2～5μm。
[0009]较佳地，步骤S2中，所述有机碳源选取沥青和PVP的混合物，其中，沥青与PVP的质量比为(0.5～2):1；添加有机碳源研磨的方法为：在所述M
‑
Si/SiO
x
先添加PVP进行充分研磨后，再加入沥青进行充分研磨。
[0010]较佳地，步骤S2中，碳化温度为650
‑
1000℃。
[0011]本专利技术也公开了使用上述方法制备的功能化设计碳涂层包覆硅负极材料，该材料为C
‑
M
‑
Si/SiO
x
负极材料，从外到内分别为：有机碳源碳化形成的表面层、含氮有机物分解形成的保护层、及金属M和Si/SiO
x
形成的内层。
[0012]本专利技术还提供了一种径向生长石墨烯
‑
M
‑
Si/SiO
x
结构的负极材料的制备方法，包含以下步骤：
[0013]S1，选取金属M作为研磨介质，研磨Si和/或SiO
x
粉末以制备M
‑
Si/SiO
x
，部分M分布在其表面形成金属层；在所述M
‑
Si/SiO
x
中，Si/SiO
x
与M的质量比为(100
‑
1000):1；
[0014]S2
’
，采用流化床气相沉积方法，以所述M
‑
Si/SiO
x
的金属层M为催化剂，以有机气
体为碳源，原位生成径向生长石墨烯，从而得到径向生长石墨烯
‑
M
‑
Si/SiO
x
结构的负极材料。
[0015]较佳地，步骤S2
’
中，所述有机气体选取甲烷和乙烯中的至少一种。
[0016]较佳地，步骤S2
’
中，裂解温度为750
‑
1000℃。
[0017]本专利技术也公开了使用上述方法制备的径向生长石墨烯
‑
M
‑
Si/SiO
x
结构的负极材料。
[0018]本专利技术的有益效果包含：
[0019](1)通过研磨，控制好研磨介质质量和研磨时间，即可使金属M均匀分散在合适粒径的Si/SiO
x
颗粒表面，形成催化剂层；然后通过高温碳化或流化床气相沉积法，即可制备C
‑
M
‑
Si/SiO
x
负极材料，简单易行。
[0020](2)对M
‑
Si/SiO
x
颗粒通过先后添加PVP和沥青，高温碳化时PVP处于气化分解的状态，使得C
‑
M
‑
Si/SiO
x
负极材料的结构膨松，该状态下可以保持C
‑
M
‑
Si/SiO
x
不结块，负极材料表面可以形成含氮的碳包覆层，碳掺杂氮的结构可以提高碳的导电性，会使得到的负极材料具有优异的电化学性能。
[0021](3)对硅负极、金属、有机碳源的研磨和高温碳化的步骤较容易地实现对C
‑
M
‑
Si/SiO
x
负极材料的量产。
[0022](4)对M
‑
Si/SiO
x
颗粒采用流化床沉积的方法，催化甲烷或乙烯裂解，不仅能够避免产物结块，还可以得到径向生长石墨烯
‑
M
‑
Si/SiO
x
结构的负极材料，径向生长石墨烯使得整个负极材料具有更加优异的电化学性能，导电性能更好。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的实施例1、2中的S1制备的Fe
‑
SiO的SEM图；
[0024]图2为本专利技术的实施例1、2中的S1制备的Fe
‑
SiO的TEM图；
[0025]图3为本专利技术的实施例1中制备的C
‑
Fe
‑
SiO
x
高倍TEM图；
[0026]图4为本专利技术的实施例1中制备的C
‑
Fe
‑
SiO
x
的倍率性能图；
[0027]图5为本专利技术的实施例1中制备的C
‑
Fe
‑
SiO
x
的循环寿命图；
[0028]图6为本专利技术的实施例2中制备的径向生长石墨烯
‑
Fe
‑
SiO
x
的SEM图；
[0029]图7为本专利技术的实施例2中制备的径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种功能化设计碳涂层包覆硅负极材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：S1，选取金属M作为研磨介质，研磨Si和/或SiO
x
粉末以制备M
‑
Si/SiO
x
，部分M分布在其表面形成金属层；在所述M
‑
Si/SiO
x
中，Si/SiO
x
与M的质量比为(100
‑
1000):1；S2，在所述M
‑
Si/SiO
x
添加有机碳源继续研磨，将研磨后的混合物高温碳化从而制备C
‑
M
‑
Si/SiO
x
负极材料；其中，所述有机碳源包含含氮有机物；所述有机碳源与M
‑
Si/SiO
x
的质量比为(0.001～1):1。2.一种功能化设计碳涂层包覆硅负极材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：S1，选取金属M作为研磨介质，研磨Si和/或SiO
x
粉末以制备M
‑
Si/SiO
x
，部分M分布在其表面形成金属层；在所述M
‑
Si/SiO
x
中，Si/SiO
x
与M的质量比为(100
‑
1000):1；S2
’
，采用流化床气相沉积方法，以所述M
‑
Si/SiO
x
的金属层M为催化剂，以有机气体为碳源，原位生成径向生长石墨烯，从而得到径向生长石墨烯
‑
M
‑
Si/SiO
x
结构的负极材料。3.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：解晶莹，党国举，张懋慧，杨志云，宋缙华，王久林，裴海娟，闵凡奇，罗英，郭瑞，
申请(专利权)人：上海动力与储能电池系统工程技术研究中心，
类型：发明
国别省市：