一种中间相碳微球-硅碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种中间相碳微球

【技术实现步骤摘要】
一种中间相碳微球
‑
硅碳复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池材料制备
，具体提供一种中间相碳微球
‑
硅碳复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池是当今国际公认的理想化学能源，具有体积小、电容量大、电压高等优点，被广泛用于移动电话手提电脑等电子产品，日益扩大的电动汽车领域将给锂离子电池带来更大的发展空间。
[0003]锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内部材料包括正极材料、负极材料、电解质和隔膜等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。因此廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。通常负极材料一般选用碳材料，硅作为地壳中的元素，储量丰富，同时其具有很高的理论比容量(4200mAhg
‑1)，使其成为石墨负极材料的替代材料之一。
[0004]硅基材料以其能量密度高、材料来源广泛而成为高能量密度锂离子电池的首选负极材料，但是其膨胀高造成其电池模组膨胀力大并降低其循环性能，因此为提升硅基材料在锂离子电池的应用范围，需要从降低硅基材料的膨胀方面进行改进。而降低硅基材料的膨胀措施很多：比如硅的纳米化、硅的晶粒尺寸降低、多孔硅、硅的包覆改性及其硅基材料与碳基材料的复合降低膨胀，上述措施虽然可以降低膨胀，但是会造成材料的其它性能恶化，比如高温存储、首次效率及其比容量等电性能下降。

技术实现思路

[0005]中间相碳微球以其各向同性，结构稳定等特性而应用于高倍率、长寿命、低膨胀锂离子电池，但是其比容量偏低影响其能量密度的提升。
[0006]因此本专利技术通过在中间相碳微球中掺杂硅基材料，不但可以提升能量密度而且可以降低膨胀。
[0007]为降低硅基材料的膨胀，本专利技术通过磁控溅射法在中间相碳微球表面沉积硅基材料并进行表面硼掺杂提升电子导电率和降低不可逆容量，制备出中间相碳微球
‑
硅碳复合材料，降低膨胀，提升比容量和首次效率。
[0008]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供了一种中间相碳微球
‑
硅碳复合材料及其制备方法；一方面，本专利技术提供了如下技术方案：一种中间相碳微球
‑
硅碳复合材料制备方法，所述方法的实现包括，对中间型碳微球进行表面处理，然后通过磁控溅射法在其表面沉积纳米硅，再通过气相沉积法沉积含有硼的碳源，得到所述中间相碳微球
‑
硅碳复合材料。
[0009]更进一步的，所述中间型碳微球进行表面处理的过程包括内容如下：将所述中间相碳微球转移到等离子反应腔内，在入口端和出口端分别设置等离子
源，其中入口端的等离子源为氧气和氩气混合气，体积比1:1～10，出口端等离子源为氨气和氩气混合气混合气，体积比1:1～10，反应室入口端的温度保持在200℃，由所述入口端至所述出口出口端温度逐渐升高，温升速率10～20℃/min，出口端的温度保持在500℃，得到氮掺杂氧化中间相碳微球。
[0010]更进一步的，所述磁控溅射法的实现过程包括内容如下：以纳米硅基材料为靶材，将所述氮掺杂氧化中间相碳微球转移到真空室中并作为基体，抽真空，压力控制到10
‑4～10
‑3pa；将所述基体加热到100～200℃，将Ar气通入真空室，将所述靶材对所述基体进行轰击，得到硅氮共掺杂氧化中间相碳微球。
[0011]更进一步的，所述气相沉积法的实现包括步骤如下：将所述硅氮共掺杂氧化中间相碳微球通入三氯化硼混合气体，加热，保温，之后改通碳源气体，加热，保温，最后停止加热，降温，粉碎，得到硼掺杂无定形碳包覆的所述中间相碳微球
‑
硅碳复合材料。
[0012]更进一步的，所述三氯化硼混合气体为三氯化硼和氩气的混合气体，三氯化硼和氩气的 体积比1:1～10，流量10～100ml/min。
[0013]更进一步的，所述碳源气体为甲烷、乙烷、乙烯、乙炔中的一种或多种的组合，流量10～100ml/min。
[0014]更进一步的，所述纳米硅基材料为纳米Si或纳米SiO。
[0015]更进一步的，所述方法在气相沉积过程中，在通入三氯化硼混合气体之前，首先通入惰性气体排除管内空气；气相沉积过程完成后，降温在氩气气氛下进行。
[0016]更进一步的，所述三氯化硼混合气体通入过程中，温度保持在300～500℃，保温0.5～2h；所述碳源气体通入过程中，温度保持在700～1200℃，保温0.5～2h。
[0017]本专利技术另一方面，提供技术方案如下：一种中间相碳微球
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硅碳复合材料，所述中间相碳微球
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硅碳复合材料上述任一方法制备。
[0018]与现有技术相比，本专利技术一种中间相碳微球
‑
硅碳复合材料及其制备方法具有以下突出的有益效果：1）通过磁控溅射法在改性中间相碳微球表面沉积硅基材料，一方面利用氮掺杂氧化中间相碳微球表面的羧基、羟基使其硅基材料容易沉积在其表面，具有结合力强等优点，避免硅基材料在中间相碳微球的脱落，提升稳定性。同时中间相碳微球表面的N掺杂，具有较高的电子传导能力和相对稳定的结构，显著提升了材料的循环性能，延长了使用寿命；同时磁控溅射方法，反应时间短，工艺简单，可以有效实现连续化生产。
[0019]2）通过气体表面改性，即三氯化硼表面改性掺杂硼并进行碳化，得到硼掺杂无定形碳包覆硅氮中间相碳微球，提升外层的电子导电率和降低不可逆容量，提升首次效率，并改善存储性能。
附图说明
[0020]图1是本专利技术制备出的一种中间相碳微球
‑
硅碳复合材料的SEM图。
实施方式
[0021]下面将结合附图和实施例，对本专利技术作进一步详细说明。
实施例
[0022]步骤S1：将中间相碳微球转移到等离子反应腔内，在入口端和出口端分别设置等离子源，入口端的离子源为氧气/氩气混合气（体积比1:5），出口端为氨气/氩气混合气混合气（体积比1:5），在反应室入口端的温度为200℃，由入口至出口温度不断升高，升温速率15℃/min，反应室出口端的温度为500℃，得到氮掺杂氧化中间相碳微球；步骤S2：采用磁控溅射法，以纳米Si为靶材，氮掺杂氧化中间相碳微球转移到真空室中并作为基体，抽真空到5*10
‑3pa，并加热基体到150℃，之后真空室通入Ar气，靶材对真空室的基体进行轰击，得到硅氮共掺杂氧化中间相碳微球；步骤S3：之后将硅氮共掺杂氧化中间相碳微球转移到管式炉中，首先通入氩气惰性气体排除管内空气，之后通入三氯化硼混合气体（体积比，三氯化硼：氩气=1：5，流量50ml/min），并加热到400℃保温1h，之后改通甲烷气体（流量50ml/min），并加热到950℃保温1h，最后停止加热，在氩气气氛下降温到室温、粉碎，得到硼掺杂无定形碳包覆中间相碳微球
‑
硅碳复合材料。
实施例
[0023]步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中间相碳微球
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硅碳复合材料制备方法，其特征在于，所述方法的实现包括，对中间型碳微球进行表面处理，然后通过磁控溅射法在其表面沉积纳米硅，再通过气相沉积法沉积含有硼的碳源，得到所述中间相碳微球
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硅碳复合材料。2.根据权利要求1所述的一种中间相碳微球
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硅碳复合材料制备方法，其特征在于，所述中间型碳微球进行表面处理的过程包括内容如下：将所述中间相碳微球转移到等离子反应腔内，在入口端和出口端分别设置等离子源，其中入口端的等离子源为氧气和氩气混合气，体积比1:1～10，出口端等离子源为氨气和氩气混合气混合气，体积比1:1～10，反应室入口端的温度保持在200℃，由所述入口端至所述出口出口端温度逐渐升高，温升速率10～20℃/min，出口端的温度保持在500℃，得到氮掺杂氧化中间相碳微球。3.根据权利要求2所述的一种中间相碳微球
‑
硅碳复合材料制备方法，其特征在于，所述磁控溅射法的实现过程包括内容如下：以纳米硅基材料为靶材，将所述氮掺杂氧化中间相碳微球转移到真空室中并作为基体，抽真空，压力控制到10
‑4～10
‑3pa；将所述基体加热到100～200℃，将Ar气通入真空室，将所述靶材对所述基体进行轰击，得到硅氮共掺杂氧化中间相碳微球。4.根据权利要求3所述的一种中间相碳微球
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硅碳复合材料制备方法，其特征在于，所述气相沉积法的实现包括步骤如下：将所述硅氮共掺杂氧化中间相碳微球通入三氯化硼混合气体，加热，保温，之后...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏红报，苏方征，
申请(专利权)人：青岛新泰和纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：