一种硅碳负极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种硅碳负极材料及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)将硅颗粒、催化引发剂和硅化合物在有机溶剂中混合，进行反应，得到Si@SiO2团簇，所述Si@SiO2团簇由多个核壳结构构成，所述核壳结构包括硅颗粒以及包覆在所述硅颗粒表面的二氧化硅包覆层；(2)将所述Si@SiO2团簇和有机碳源混合，煅烧得到复合材料；(3)将所述复合材料与刻蚀液混合，进行反应，去除二氧化硅，得到所述硅碳负极材料。本发明专利技术借助催化引发剂在生成二氧化硅包覆的同时形成了微米级团簇，方法简单，且有效缓解了Si的体积膨胀效应。采用该方法制备的硅碳负极材料的导电能力得到了明显提升，容量保持率高，倍率性能好，具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种硅碳负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池领域，具体涉及一种硅碳负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂电池的负极材料是决定锂电池的充放电效率、循环寿命等性能的关键因素之一。目前，商业化的锂电池主要以石墨为负极材料，市场上高端石墨材料的比容量已达到360
‑
365mAh/g，接近于石墨的理论比容量(372mAh/g)，因此以石墨作为负极材料的锂电池能量密度的提升空间有限，无法满足动力电池高能量密度的要求。硅(Si)由于具有高容量(4200mAh/g)，已然成为下一代负极材料的有利替代者，然而其极大的体积膨胀(大于300％)严重限制了循环性能。
[0003]目前，通过简单的碳层包覆无法限制硅颗粒的体积膨胀效益，所以出现了蛋黄
‑
壳结构的硅碳复合材料，通过硅和碳层之间的空隙有效限制了硅的体积膨胀效应。例如，Liu等人(DOI：10.1038/NNANO.2014.6)采用溶胶
‑
凝胶法在硅纳米颗粒表面包覆一层SiO2壳层，随后通过乳液挥发自主装的方法生成团簇，以蔗糖为碳源进行热解碳包覆，将SiO2用HF刻蚀后得到类石榴结构复合材料，该方法使用乳液蒸发的方法得到了石榴状结构的硅碳复合材料，虽然提高了振实密度和倍率性能，但方法比较复杂，不利于工业化推广。
[0004]因此，提供一种工艺简单的硅碳负极材料的制备方法，使其在缓解硅体积膨胀效应的同时提高负极材料整体的导电性、循环性能和倍率性能，是亟待解决的技术问题。<br/>
技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种硅碳负极材料及其制备方法和应用。本专利技术利用催化引发剂在硅表面既生成了缓冲模板又将硅颗粒聚集在一起，在生成二氧化硅包覆的同时形成了微米级团簇，并利用有机碳源进行热解碳包覆，经刻蚀后得到硅碳负极材料。该方法工艺简单，可有效缓解Si的体积膨胀效应，并且制备的硅碳负极材料中硅颗粒外面的碳层之间紧密相结合，形成了碳导电网络，更大的接触面积提高了整体的导电能力，在电池循环过程中容量保持率高，倍率性能好，电池综合性能优良，具有广泛的应用前景。
[0006]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种硅碳负极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
[0008](1)将硅颗粒、催化引发剂和硅化合物在有机溶剂中混合，进行反应，得到Si@SiO2团簇，所述Si@SiO2团簇由多个核壳结构构成，所述核壳结构包括硅颗粒以及包覆在所述硅颗粒表面的二氧化硅包覆层；
[0009](2)将所述Si@SiO2团簇和有机碳源混合，煅烧得到复合材料；
[0010](3)将所述复合材料与刻蚀液混合，进行反应，去除二氧化硅，得到所述硅碳负极材料。
[0011]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(1)所述Si@SiO2团簇的尺寸为微米级。
[0012]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(1)所述Si@SiO2团簇的尺寸为1
‑
8μm。
[0013]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(1)所述硅颗粒的中值粒径为0.05
‑
0.2μm。
[0014]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(1)所述催化引发剂包括胺基化合物
[0015]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，所述胺基化合物包括乙二胺、丙二胺或1,4
‑
丁二胺中的任意一种或至少两种的组合。
[0016]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(1)所述硅化合物包括四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷或四氯化硅中的任意一种或至少两种的组合。
[0017]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(1)所述硅颗粒和所述催化引发剂的质量体积比为1g:(8
‑
12)mL。
[0018]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(1)所述硅颗粒和所述硅化合物的质量比为1:(0.5
‑
10)。
[0019]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(1)所述混合的方式为：
[0020]将硅颗粒、催化引发剂和硅化合物同时在有机溶剂中混合。
[0021]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(1)所述混合的过程中伴有搅拌。
[0022]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，所述搅拌的速率为10
‑
2000rpm，优选为600
‑
1200rpm。
[0023]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(1)所述混合的时间为10
‑
600min，优选为200
‑
400min。
[0024]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(1)所述混合后，对得到的混合溶液进行分离。
[0025]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(2)所述有机碳源包括葡萄糖、蔗糖、酚醛树脂、沥青或煤焦油中的任意一种或至少两种的组合。
[0026]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(2)所述有机碳源和所述硅颗粒的质量比为(0.1
‑
1):1。
[0027]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(2)所述混合的方式包括干法混合或湿法混合，优选为湿法混合。
[0028]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(2)所述混合的过程伴有搅拌。
[0029]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(2)所述混合后，对得到的混合液进行分离后再进行煅烧。
[0030]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(2)所述煅烧的气氛为惰性气氛。
[0031]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，所述惰性气氛中的气体包括氩
气、氦气或氮气中的任意一种或至少两种的组合。
[0032]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(2)所述煅烧的升温速率为3
‑
10℃/min。
[0033]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(2)所述煅烧的温度为500
‑
1100℃。
[0034]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(2)所述煅烧的时间为1
‑
3h。
[0035]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(3)所述刻蚀液为氢氟酸。
[0036]作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，步骤(3)所述反应的时间为0.5
‑
1.5h。作为本专利技术所述制备方法的一个优选技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
[0037](1)将粒度为0.05
‑
0.2μm的硅颗粒、胺基化合物和硅化合物同时在有机溶剂中混合，并以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将硅颗粒、催化引发剂和硅化合物在有机溶剂中混合，进行反应，得到Si@SiO2团簇，所述Si@SiO2团簇由多个核壳结构构成，所述核壳结构包括硅颗粒以及包覆在所述硅颗粒表面的二氧化硅包覆层；(2)将所述Si@SiO2团簇和有机碳源混合，煅烧得到复合材料；(3)将所述复合材料与刻蚀液混合，进行反应，去除二氧化硅，得到所述硅碳负极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述Si@SiO2团簇的尺寸为微米级；优选地，步骤(1)所述硅颗粒的中值粒径为0.05
‑
0.2μm；优选地，步骤(1)所述催化引发剂包括胺基化合物；优选地，所述胺基化合物包括乙二胺、丙二胺或1,4
‑
丁二胺中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(1)所述硅化合物包括四乙氧基硅烷、四甲氧基硅烷或四氯化硅中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(1)所述硅颗粒和所述催化引发剂的质量体积比为1g:(8
‑
12)mL；优选地，步骤(1)所述硅颗粒和所述硅化合物的质量比为1:(0.5
‑
10)。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混合的方式为：将硅颗粒、催化引发剂和硅化合物同时在有机溶剂中混合；优选地，步骤(1)所述混合的过程中伴有搅拌；优选地，所述搅拌的速率为10
‑
2000rpm，优选为600
‑
1200rpm；优选地，步骤(1)所述混合的时间为10
‑
600min，优选为200
‑
400min；优选地，步骤(1)所述混合后，对得到的混合溶液进行分离。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述有机碳源包括葡萄糖、蔗糖、酚醛树脂、沥青或煤焦油中的任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(2)所述有机碳源和所述硅颗粒的质量比为(0.1
‑
1):1。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述混合的方式包括干法混合或湿法混合，优选为湿法混合；优选地，步骤(2)所述混合的过程伴有搅拌；优选地，步骤(2)所述混合后，对得到的混合液进行分离后再进行煅烧。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：单沈桃，韩健峰，梁海涛，潘文成，
申请(专利权)人：天津市捷威动力工业有限公司，
类型：发明
国别省市：