硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料和电池技术

本发明专利技术提供了一种硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料和电池，具体涉及锂电池负极材料技术领域。本发明专利技术提供的硅碳复合材料的制备方法，直接使用纳米硅和纳米碳原位复合，再包覆一层碳材料，降低硅碳复合材料在储存过程中与空气或水反应的可能；并且通过制成浆料喷雾造粒得到微米级别的硅碳复合材料，减少了材料的表面积，进一步降低纳米硅和纳米碳与空气或水反应的可能；高温处理将浆料中的粘结剂或其他杂质热解，形成孔洞为硅提供了膨胀空间，导电炭提升了材料本身的导电性，有利于电化学性能的发挥。性能的发挥。性能的发挥。

【技术实现步骤摘要】
硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料和电池


[0001]本专利技术涉及锂电池负极材料
，尤其是涉及一种硅碳复合材料的制备方法、硅碳复合材料和电池。

技术介绍

[0002]硅基负极材料因其较高的理论比容量（高温4200mA
·
h/g，室温3580mA
·
h/g）、低的脱锂电位（＜0.5V）、环境友好、储量丰富、成本较低等优势而被认为是极具潜力的下一代高能量密度锂离子电池负极材料。
[0003]通过将硅负极制备成硅纳米线、纳米硅球、多孔硅等结构有助于缓解硅负极的体积膨胀，并提升其循环性能，但是纳米化和多孔化会导致其比表面积增大，导致首次库伦效率低；此外纳米化硅仍然无法避免较大的体积膨胀，导致循环性能很差，无法满足实际应用；另外，硅本身导电性差，体积膨胀后容易导致硅颗粒与导电炭的脱离接触，导致极片倍率性能差，循环性能差。
[0004]有鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一在于提供一种硅碳复合材料的制备方法，旨在解决上述技术问题中的至少一种。
[0006]本专利技术的目的之二在于提供一种硅碳复合材料。
[0007]本专利技术的目的之三在于提供一种电池。
[0008]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：本专利技术的第一方面提供了一种硅碳复合材料的制备方法包括以下步骤：A、将硅烷气体通入装有纳米碳的反应器内进行热分解形成纳米硅，纳米硅和纳米碳原位复合得到硅碳复合材料半成品；B、对硅碳复合材料半成品通入烃类气体进行碳包覆得到碳包覆的半成品；C、将碳包覆的半成品、粘结剂和导电炭混合制成浆料，将所述浆料进行喷雾干燥后在保护气体下进行高温处理得到所述硅碳复合材料。
[0009]进一步地，步骤A中，所述热分解的温度为350℃
‑
900℃，时间为1h
‑
12h。
[0010]优选地，步骤B中，所述碳包覆的温度为500℃
‑
1000℃，时间为30min
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180min。
[0011]进一步地，所述纳米碳的粒径＜1μm。
[0012]优选地，所述纳米碳的比表面积为200m2/g
‑
4000m2/g，孔径为0.5nm
‑
50nm，孔体积为0.1cm3/g
‑
2.0cm3/g。
[0013]优选地，所述纳米硅的粒径为0.5nm
‑
15nm。
[0014]进一步地，步骤B中，碳包覆得到的包覆层厚度为0.5nm
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20nm。
[0015]进一步地，步骤C中，碳包覆的半成品、粘结剂和导电炭的质量比为50
‑
90：0.5
‑
10：0.1
‑
10。
进一步地，步骤A中，所述硅烷气体包括甲硅烷、乙硅烷、三氯氢硅和二氯氢硅中的至少一种。
[0016]优选地，步骤B中，所述烃类气体包括甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯和乙炔中的至少一种。
[0017]优选地，步骤C中，所述粘结剂包括聚丙烯酸、聚丙烯酸钠、羧甲基纤维素钠、羟乙基纤维素、海藻酸钠、丁苯橡胶、苯丙乳液、聚苯乙烯磺酸钠、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、环氧树脂、酚醛树脂、密胺树脂和脲醛树脂中的至少一种。
[0018]优选地，步骤C中，所述导电炭包括炭黑、碳纳米管和碳纤维中的至少一种。
[0019]进一步地，步骤A中，所述硅碳复合材料半成品的粒径＜1μm。
[0020]本专利技术第二方面提供了所述的制备方法制备得到的硅碳复合材料。
[0021]进一步地，粒径为2μm
‑
50μm。
[0022]优选地，所述硅碳复合材料中，硅的占比为10wt.%
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70wt.%。本专利技术第三方面提供了一种电池，包括正极、负极、隔膜和电解质，所述负极包括所述的硅碳复合材料。
[0023]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：本专利技术提供的硅碳复合材料的制备方法，直接使用纳米硅和纳米碳原位复合，再包覆一层碳材料，降低硅碳复合材料在储存过程中与空气或水反应的可能；并且通过制成浆料喷雾造粒得到微米级别的硅碳复合材料，减少了材料的表面积，进一步降低纳米硅和纳米碳与空气或水反应的可能；高温处理将浆料中的粘结剂或其他杂质热解，形成孔洞为硅提供了膨胀空间，导电炭提升了材料本身的导电性，有利于电化学性能的发挥。
[0024]本专利技术提供的硅碳复合材料具有孔洞结构，为硅的膨胀收缩提供了空间，避免了因硅体积变化引起的负极材料的失效。同时硅碳复合材料的粒径在微米级别，提高了材料的震实密度和储存稳定性，为上下游产品的工业化生产提供了缓冲时间，使整条产业链的时间可控性更好。
[0025]本专利技术提供的电池，首圈充电容量＞1600mAh/g，首圈循环库伦效率＞80%，体积膨胀小，循环稳定性好，可以有效提升电池的电化学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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的附图。
[0026]图1为实施例1提供的微米级硅碳复合材料的SEM照片；图2为实施例1提供的微米级硅碳复合材料的粒径分布图；图3为实施例2提供的微米级硅碳复合材料首圈充放电曲线；图4为实施例3提供的微米级硅碳复合材料的XRD曲线。
具体实施方式
[0027]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0028]在下文中，可在本专利技术的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
[0029]此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0030]本专利技术的第一方面提供了一种硅碳复合材料的制备方法包括以下步骤：A、将硅烷气体通入装有纳米碳的反应器内进行热分解形成纳米硅，纳米硅和纳米碳原位复合得到硅碳复合材料半成品；B、对硅碳复合材料半成品通入烃类气体进行碳包覆得到碳包覆的半成品；C、将碳包覆的半成品、粘结剂和导电炭混合制成浆料，将所述浆料进行喷雾干燥后在保护气体下进行高温处理得到所述硅碳复合材料。
[0031]本专利技术提供的硅碳复合材料的制备方法，直接使用纳米硅和纳米碳原位复合，再包覆本文档来自技高网...

【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，包括以下步骤：A、将硅烷气体通入装有纳米碳的反应器内进行热分解形成纳米硅，纳米硅和纳米碳原位复合得到硅碳复合材料半成品；B、对硅碳复合材料半成品通入烃类气体进行碳包覆得到碳包覆的半成品；C、将碳包覆的半成品、粘结剂和导电炭混合制成浆料，将所述浆料进行喷雾干燥后在保护气体下进行高温处理得到所述硅碳复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤A中，所述热分解的温度为350℃
‑
900℃，时间为1h
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12h；步骤B中，所述碳包覆的温度为500℃
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1000℃，时间为30min
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180min；步骤C中，所述高温处理的温度为500℃
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600℃，时间为0.5h
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3h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米碳的粒径＜1μm；所述纳米碳的比表面积为200m2/g
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4000m2/g，孔径为0.5nm
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50nm，孔体积为0.1cm3/g
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2.0cm3/g；所述纳米硅的粒径为0.5nm
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15nm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤B中，碳包覆得到的包覆层厚度为0.5nm
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20nm。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：李阁，岳风树，程晓彦，贺翔，李晓东，
申请(专利权)人：山西富佶新能源材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：