硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料和锂离子电池技术

本发明专利技术公开了一种硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料和锂离子电池，包括制备纳米硅沉积多孔碳复合材料，其中，制备纳米硅沉积多孔碳复合材料的操作步骤至少包括：S11)、将多孔碳、有机催化剂和有机造孔剂混合后在温度为50

【技术实现步骤摘要】
硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料和锂离子电池


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料制备领域，具体涉及一种硅碳复合材料的制备方法和硅碳复合材料，该专利技术还涉及了该硅碳复合材料应用的锂离子电池。

技术介绍

[0002]采用砂磨法制备出的硅碳材料以其能量密度高，材料来源广泛等优点而应用于高比能量密度锂离子电池等领域，但是其满电膨胀大、循环性能差等缺陷而只能应用于数码、电动工具等领域。造成材料膨胀的原因主要是由于硅晶粒较大膨胀较大、外层碳包覆的束缚力较差，进而对硅的膨胀束缚较小造成其膨胀较大、循环较差。
[0003]在当前技术中，降低硅的膨胀循环可以从硅晶粒尺寸及其包覆方面来进行改善，具体来说，硅烷裂解法制备出的纳米硅具有晶粒小、膨胀低等优点，其主要是通过在惰性气氛下，对其硅烷进行裂解沉积在多孔碳中得到硅碳材料，然而该技术方案仍然存在沉积效率低、一致性差及其在纳米硅不能完全沉积在多孔碳中，造成硅晶粒的团聚，及其硅沉积在多孔碳的表面造成硅的外露进而造成硅与空气及其电解液反应降低存储性能等问题。
[0004]为此，基于本申请人在本领域的专注研究经验，希望寻求新的技术方案来解决以上技术问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料和锂离子电池，应用的锂离子电池具有膨胀低、循环性能好等优异表现。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种硅碳复合材料的制备方法，包括制备纳米硅沉积多孔碳复合材料，其中，制备所述纳米硅沉积多孔碳复合材料的操作步骤至少包括：
[0008]S11)、将多孔碳、有机催化剂和有机造孔剂混合后反应至少1小时，经过滤、干燥后得到改性多孔碳；
[0009]S12)、将所述改性多孔碳转移至反应腔体中，加热至不低于280℃后，向所述反应腔体的入口通入硅烷气体，通过其出口排除氢气，且保持反应腔体内压强至目标压强范围，沉积至少30分钟；
[0010]S13)、得到所述纳米硅沉积多孔碳复合材料。
[0011]优选地，在所述步骤S11)中，所述反应在温度为50
‑
100℃的条件下进行；和/或所述多孔碳、有机催化剂和有机造孔剂的质量比范围为100:1
‑
10:1
‑
10，更优选为100:1
‑
5:1
‑
5。
[0012]优选地，在所述步骤S11)中，在混合多孔碳、有机催化剂和有机造孔剂时，首先将多孔碳添加到有机催化剂的有机溶液中分散均匀后，然后添加有机造孔剂，混合均匀。
[0013]优选地，在所述步骤S11)中，所述有机催化剂采用二丁基氧化锡、单丁基氧化锡、草酸亚锡、有机铋异辛酸铋或有机铋新癸酸铋中的一种或任意几种的混合；和/或所述有机
造孔剂采用聚苯乙烯、聚乙二醇、聚氯乙烯、聚甲醛、环氧树脂、聚乙醇酸、木质素、纤维素、半纤维素中的一种或任意几种的混合。
[0014]优选地，在所述步骤S12)中，在通入硅烷气体之前，预先对所述反应腔体抽真空，然后加热至300
‑
500℃；所述目标压强范围为0.2
‑
0.4Mpa。
[0015]优选地，包括如下操作步骤：
[0016]S20)、将所述步骤S13)得到的所述纳米硅沉积多孔碳复合材料转移到碳化装置中，加热至80
‑
250℃后向所述纳米硅沉积多孔碳复合材料喷洒醚类碳源，喷洒时间至少1小时，得到无定形碳包覆纳米硅多孔碳复合材料，将该无定形碳包覆纳米硅多孔碳复合材料作为所述硅碳复合材料。
[0017]优选地，在所述步骤S20)中，经抽真空、加热至100
‑
200℃后再向所述纳米硅沉积多孔碳复合材料喷洒醚类碳源；和/或所述醚类碳源的喷洒速率为1
‑
10ml/min，喷洒时间为1
‑
6小时；和/或所述醚类碳源为甲醚、乙醚、丁醚、二苯醚中的一种或任意几种的混合。
[0018]优选地，一种硅碳复合材料，采用如上所述硅碳复合材料的制备方法得到。
[0019]优选地，所述硅碳复合材料包括内核和外壳，所述内核由多孔碳和金属化合物组成，所述外壳由无定形碳组成；其中，所述外壳占所述硅碳复合材料的重量百分比为1
‑
10wt％。
[0020]优选地，一种锂离子电池，包括电池负极极片，所述电池负极极片包括如上所述的硅碳复合材料。
[0021]本申请通过有机造孔剂对多孔碳进行造孔，而且造孔剂与多孔碳反应可以增强多孔碳的强度，使其降低纳米硅的膨胀，此外造孔剂在后续碳化后留下的无定形碳同样具有孔洞结构，可进一步增加纳米硅的沉积量；同时在对多孔碳进行造孔的过程中进一步引入有机催化剂，本申请惊讶地发现有机催化剂不仅可以实现催化造孔作用，而且经有机催化剂催化后得到的无定形碳及其金属元素可进一步提升多孔碳的电子导电率，并提升其反应活性，进而得到了具有优异表现的特定纳米硅沉积多孔碳复合材料，解决了现有硅碳复合材料普遍存在的膨胀高、循环差等问题。
[0022]本申请还进一步提出采用醚类碳源对特定的纳米硅沉积多孔碳复合材料进行外部碳沉积，利用其醚类自身沸点低、碳化温度低等优点，降低硅的晶粒生长速率进而避免了因硅晶粒的尺寸过大造成较大膨胀等问题。
附图说明
[0023]图1是本专利技术实施例1制备得到硅碳复合材料的SEM图；
[0024]图2是本专利技术具体实施方式下硅碳复合材料的制备步骤框图。
具体实施方式
[0025]请参见图2所示，本实施例提供了一种硅碳复合材料的制备方法，包括制备纳米硅沉积多孔碳复合材料，其中，制备纳米硅沉积多孔碳复合材料的操作步骤至少包括：
[0026]S11)、将多孔碳、有机催化剂和有机造孔剂混合后反应至少1小时(优选为在温度为50
‑
100℃的条件下进行反应1
‑
6小时)，经过滤、干燥后得到改性多孔碳；优选地，在本步骤S11)中，多孔碳、有机催化剂和有机造孔剂的质量比范围为100:1
‑
10:1
‑
10，更优选为
100:1
‑
5:1
‑
5；在混合多孔碳、有机催化剂和有机造孔剂时，首先将多孔碳添加到有机催化剂的有机溶液中分散均匀后，然后添加有机造孔剂，混合均匀；有机催化剂采用二丁基氧化锡、单丁基氧化锡、草酸亚锡、有机铋异辛酸铋或有机铋新癸酸铋中的一种或任意几种的混合；和/或有机造孔剂采用聚苯乙烯、聚乙二醇、聚氯乙烯、聚甲醛、环氧树脂、聚乙醇酸、木质素、纤维素、半纤维素中的一种或任意几种的混合。
[0027]S12)、将改性多孔碳转移至反应腔体中，加热至不低于280℃后，向反应腔体的入口通入硅烷气体，通过其出口排除氢气，且保持反应腔体内压强至目标压强范围(优选为0.2
‑
0.4Mpa)，沉积至少30分钟，优本文档来自技高网...

【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，包括制备纳米硅沉积多孔碳复合材料，其中，制备所述纳米硅沉积多孔碳复合材料的操作步骤至少包括：S11)、将多孔碳、有机催化剂和有机造孔剂混合后反应至少1小时，经过滤、干燥后得到改性多孔碳；S12)、将所述改性多孔碳转移至反应腔体中，加热至不低于280℃后，向所述反应腔体的入口通入硅烷气体，通过其出口排除氢气，且保持反应腔体内压强至目标压强范围，沉积至少30分钟；S13)、得到所述纳米硅沉积多孔碳复合材料。2.根据权利要求1所述硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤S11)中，所述反应在温度为50
‑
100℃的条件下进行；和/或所述多孔碳、有机催化剂和有机造孔剂的质量比范围为100:1
‑
10:1
‑
10，更优选为100:1
‑
5:1
‑
5。3.根据权利要求1所述硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤S11)中，在混合多孔碳、有机催化剂和有机造孔剂时，首先将多孔碳添加到有机催化剂的有机溶液中分散均匀后，然后添加有机造孔剂，混合均匀。4.根据权利要求1所述硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤S11)中，所述有机催化剂采用二丁基氧化锡、单丁基氧化锡、草酸亚锡、有机铋异辛酸铋或有机铋新癸酸铋中的一种或任意几种的混合；和/或所述有机造孔剂采用聚苯乙烯、聚乙二醇、聚氯乙烯、聚甲醛、环氧树脂、聚乙醇酸、木质素、纤维素、半纤维素中的一种或任意几种的混合。5.根据权利要求1所述硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢显博，刘登华，刘殿忠，杨明，高明亮，
申请(专利权)人：东营胜华盈创新材料有限公司胜华新材料集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：