放射星状纳米硅-碳复合材料及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种放射星状纳米硅

【技术实现步骤摘要】
放射星状纳米硅
‑
碳复合材料及制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及于锂离子电池材料
，具体而言，涉及一种放射星状纳米硅
‑
碳复合材料及制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电池通过将反应电极集合在装有电解质的容器内从而实现化学能与电能之间的转化，是理想的储能设备。其中锂离子电池由于具有容量高、循环稳定性好、便携、环境友好等优势而被广泛关注和研究，锂离子电池的使用也极大的方便了人们的日常生活。锂离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜和外壳等几部分组成，正极和负极材料的性质对电池的容量、能量密度和循环寿命等性能具有至关重要的影响。理想的负极材料需要具有工作点位低、容量高、首效高、成本低和循环稳定性好等特点，基于以上，目前商业化程度最高的负极材料是石墨类碳材料。但是石墨的储锂理论容量为
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370mAh/g，越来越无法满足人们对大功率和高能量密度电池的需求。人们发现Si和Li可生成一系列的LixSi合金化合物，理论容量高达4200mAh/g，工作电压低(<0.4V vs Li/Li
+
)；并且硅在地壳中储量丰富，无毒无害，因此硅基材料被认为是最有潜力的负极材料之一。
[0003]硅基材料在和锂合金化反应的过程中会发生巨大的体积膨胀和硅的导电性能差是制约硅基材料发展的主要因素。由于在充放电过程中硅材料的体积反复收缩膨胀所产生的应力会导致电极材料破裂和粉化，循环稳定性差以及电化学性能快速衰减。另外电极
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电解液界面形成的固态电解质膜(SEI)会反复破坏生长，伴随着电解液的不可逆消耗。为了将硅基负极材料实用化，稳定的纳米结构设计和合成工艺的简化是必经之路。
[0004]鉴于此，有必要提供一种放射星状纳米硅
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碳复合材料及制备方法和应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种放射星状纳米硅
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碳复合材料及制备方法和应用。
[0006]本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
[0007]本专利技术提供一种放射星状纳米硅
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碳复合材料，放射星状纳米硅
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碳复合材料包括基体及至少部分基体表面上包覆的碳层，其中，基体包括放射星状纳米硅材料和碳纳米材料，放射星状纳米硅
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碳复合材料中的总碳含量为50
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90％。
[0008]本专利技术还提供一种上述放射星状纳米硅
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碳复合材料的制备方法，其包括：
[0009]采用金属热还原法将放射星状二氧化硅还原成放射星状纳米硅材料；
[0010]将所得放射星状纳米硅材料、碳纳米材料与有机碳源混合烧结，得到放射星状纳米硅
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碳复合材料。
[0011]本专利技术还提供一种负极极片，负极极片中的负极活性材料包括上述的放射星状纳米硅
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碳复合材料。
[0012]本专利技术还提供一种锂电池，锂电池包括上述的负极极片。
[0013]本专利技术具有以下有益效果：
[0014]本专利技术提供的一种放射星状纳米硅
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碳复合材料及制备方法和应用。放射星状纳米硅
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碳复合材料包括基体及至少部分基体表面上包覆的碳层，其中，基体包括放射星状纳米硅材料和碳纳米材料，放射星状纳米硅
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碳复合材料中的总碳含量为50
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90％。其制备过程包括：在表面活性剂和催化剂的作用下，将硅源水解，并且通过调控不同的表面活性剂浓度及配比能调控二氧化硅的尺寸和形貌，得到放射星状二氧化硅，然后采用金属热还原法还原得到放射星状纳米硅材料，再将放射星状纳米硅材料、碳纳米材料与有机碳源混合烧结，得到放射星状纳米硅
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碳复合材料。放射星状纳米硅材料的星状形貌在堆积后存在的孔隙能有效缓冲材料在充放电过程中的体积变化，复合的碳纳米材料能进一步增加材料的导电性和缓冲硅的体积变化，将放射星状纳米硅材料和碳纳米材料原位包覆，起到固定、稳定材料结构的作用，最终使所制得的放射星状纳米硅
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碳复合材料适合于作为锂离子电池的负极活性材料，进而使制作的锂离子电池表现出优良的容量和循环稳定性。
附图说明
[0015]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0016]图1为本专利技术实施例1制备的放射星状纳米硅
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碳复合材料的基体结构示意图；
[0017]图2为本专利技术实施例1制备的放射星状纳米硅
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碳复合材料的XRD谱图；
[0018]图3为本专利技术实施例1制备的放射星状纳米硅
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碳复合材料制备的扣式电池的首次充放电的比容量
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电压曲线。
具体实施方式
[0019]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0020]下面对本专利技术实施例提供的一种放射星状纳米硅
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碳复合材料及制备方法和应用进行具体说明。
[0021]第一方面，本专利技术实施例提供一种放射星状纳米硅
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碳复合材料，放射星状纳米硅
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碳复合材料包括基体及至少部分基体表面上包覆的碳层，其中，基体包括放射星状纳米硅材料和碳纳米材料，放射星状纳米硅
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碳复合材料中的总碳含量为50
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90％。
[0022]放射星状二氧化硅纳米颗粒(SMSNS)其周围有一层特殊的星状浮雕结构，具有大的比表面积和粒径均一、吸附能力强等良好性能。一般情况下，纳米颗粒的平均粒径越小，比表面积就越大。然而，SMSNS的独特星状浮雕结构令它在较大的粒径范围内仍然具有较高的比表面积。另外星状浮雕特殊结构减小了Li离子的扩散路径，并且材料间隙为体积变化提供缓冲空间。将上述的放射星状纳米硅材料和碳纳米材料共同作为基体，复合的碳纳米材料能进一步增加材料的导电性和缓冲硅的体积变化，在基体上的至少一部分表面上包覆
碳层后，不仅可以缓冲和构建连续均匀的导电网络，而且可以起到固定、稳定材料结构的效果。由此得到的复合材料作为电极材料时可以有效缓冲硅物质在充放电过程中的体积膨胀问题，并减小锂离子扩散距离，从而改善其作为电极材料的电化学性能，进而提高锂电池的比容量和循环性能。需要进一步说明的是，放射星状纳米硅
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碳复合材料中的总碳包括碳纳米材料以及表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种放射星状纳米硅
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碳复合材料，其特征在于，所述放射星状纳米硅
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碳复合材料包括基体及至少部分基体表面上包覆的碳层，其中，所述基体包括放射星状纳米硅材料和碳纳米材料，所述放射星状纳米硅
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碳复合材料中的总碳含量为50
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90％。2.根据权利要求1所述的放射星状纳米硅
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碳复合材料，其特征在于，所述基体包括放射星状纳米硅材料、位于所述放射星状纳米硅材料的表面和/或星状间隙的碳纳米材料；优选地，所述碳纳米材料包括第一碳纳米材料和第二碳纳米材料，且所述第一碳纳米材料为碳纳米管，所述第二碳纳米材料为石墨纳米片、石墨烯、乙炔黑、炭黑中的至少一种，所述第一碳纳米材料和所述第二碳纳米材料的质量比为(0.05
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0.2):1；优选地，所述放射星状纳米硅材料的尺寸为40
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200nm；优选地，至少部分基体表面上包覆的碳层厚度为0.5
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8nm，更优选为1
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4nm。3.一种根据权利要求1或2所述的放射星状纳米硅
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碳复合材料的制备方法，其特征在于，其包括：采用金属热还原法将放射星状二氧化硅还原成放射星状纳米硅材料；将所述放射星状纳米硅材料、碳纳米材料与有机碳源混合烧结，得到放射星状纳米硅
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碳复合材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在表面活性剂和催化剂的作用下，将硅源水解得到放射星状二氧化硅；将所述放射星状二氧化硅和活泼金属粉末混合均匀后进行煅烧，得到放射星状纳米硅材料；再将所述放射星状纳米硅材料、碳纳米材料和有机碳源液相球磨混合，喷雾干燥后进行烧结，得到所述放射星状纳米硅
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碳复合材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述放射星状二氧化硅的制备包括：将表面活性剂和催化剂加入水中，加热搅拌至完全溶解；再与硅源混合得到混合溶液，将所述混合溶液持续搅拌至产生白色沉淀；再将分离出的白色沉淀清洗、干燥，即得；优选地，所述硅源包括正硅酸酯类、氨丙基三乙氧基硅烷和二乙氧基二甲基硅烷中的至少一种，所述混合溶液中硅源的浓度为0.5
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0.8mol/L；优选地，所述表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基对甲苯磺酸铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵和十二烷基二甲基苄基氯化铵中的至少一种，优选地，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基对甲苯磺酸铵中的至少一种；所述混合溶液中表面活性剂的浓度为0.02
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0.1mol/L；优选地，所述催化剂包括三乙醇胺和2
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氨基
‑2‑
羟甲基
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1，3
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丙二醇中的至少一种，所述混合溶液中催化剂的浓度为0.005
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0.04mol/L；优选地，所述加热温度为45
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98℃，更优选为70
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【专利技术属性】
技术研发人员：薛山，万远鑫，李意能，陈燕玉，刘厅，王鹏，
申请(专利权)人：深圳市德方纳米科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：