多孔硅碳复合材料、其制造方法以及包含其的负极活性材料技术

本发明专利技术提供了一种多孔硅碳复合材料、其制造方法以及包含其的负极活性材料。由于本发明专利技术的多孔硅碳复合材料包含硅颗粒、氟化镁和碳，二次电池的初始效率和容量保持率以及放电容量可以进一步提高。量可以进一步提高。量可以进一步提高。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】多孔硅碳复合材料、其制造方法以及包含其的负极活性材料


[0001]本专利技术涉及多孔硅碳复合材料、制备该多孔硅碳复合材料的方法以及包含该多孔硅碳复合材料的负极活性材料。

技术介绍

[0002]近年来，随着在信息和通信行业的发展下电子设备变得同时更小、更轻、更薄且更便携，对用作这些电子设备的电源的高能量密度电池的需求与日俱增。锂二次电池是最能满足该需求的电池，并且正在积极进行使用锂二次电池的小型电池以及将其应用于诸如车辆和储能系统的大型电子设备的研究。
[0003]广泛使用碳材料作为这种锂二次电池的负极活性材料。为了进一步提高电池的容量，正在研究硅基负极活性材料。由于硅的理论容量(4199mAh/g)比石墨的理论容量(372mAh/g)大10倍或更多，因此预期电池容量有显著提高。
[0004]例如，在锂嵌入到硅中时的反应方案如下：
[0005][反应方案1][0006]22Li+5Si＝Li
22
Si5。
[0007]在根据上述反应方案的硅基负极活性材料中，形成了具有高容量的每个硅原子含有多达4.4个锂原子的合金。然而，在大多数硅基负极活性材料中，因锂的嵌入而导致高达300％的体积膨胀，这会破坏负极，使其难以表现出高循环特性。
[0008]此外，这种体积变化可能导致在负极活性材料的表面上有裂纹，并且在负极活性材料内可能形成有离子材料，从而导致负极活性材料与集电器电分离。这种电分离现象会显著降低电池的容量保持率。
[0009]为了解决这个问题，日本专利号4393610公开了一种负极活性材料，其中将硅和碳进行了机械处理而形成复合材料，并且使用化学气相沉积(CVD)方法将硅颗粒的表面涂覆有碳层。
[0010]此外，日本公开专利公开号2016
‑
502253公开了一种负极活性材料，其包含多孔硅基颗粒和碳颗粒，其中所述碳颗粒包括具有不同平均粒径的细碳颗粒和粗碳颗粒。
[0011]然而，尽管这些现有技术文献涉及包含硅和碳的负极活性材料，但是在充电和放电期间抑制体积膨胀和收缩是有限的。因此，仍然需要进行研究以解决这些问题。
[0012][现有技术文献][0013][专利文献][0014](专利文献1)日本专利号4393610
[0015](专利文献2)日本公开专利公开号2016
‑
502253
[0016](专利文献3)韩国公开专利公开号2018
‑
0106485。

技术实现思路

[0017]技术问题
[0018]本专利技术的一个目的是提供一种多孔硅碳复合材料，当将其施用于负极活性材料时，其因包含硅颗粒、含氟镁化合物和碳而具有改进的容量保持率以及充放电容量和初始充放电效率。
[0019]本专利技术的另一个目的是提供一种用于制备多孔硅碳复合材料的方法。
[0020]本专利技术的又一个目的是提供一种包含多孔硅碳复合材料的负极活性材料和包含该负极活性材料的锂二次电池。
[0021]问题的解决方案
[0022]本专利技术提供了一种包含硅颗粒、含氟镁化合物和碳的多孔硅碳复合材料。
[0023]此外，本专利技术提供了一种用于制备多孔硅碳复合材料的方法，其包括：使用硅基原材料和镁基原材料获得硅复合氧化物粉末的第一步骤；使用蚀刻溶液蚀刻硅复合氧化物粉末的第二步骤，所述蚀刻溶液包含含氟(F)原子的化合物；将通过蚀刻获得的复合材料进行过滤和干燥以获得多孔硅复合材料的第三步骤；以及通过使用化学热分解沉积方法在多孔硅复合材料的表面上形成碳层的第四步骤。
[0024]此外，本专利技术提供了一种负极活性材料，其包含多孔硅碳复合材料。
[0025]此外，本专利技术提供了一种包含负极活性材料的锂二次电池。
[0026]本专利技术的有利效果
[0027]由于根据实施方案的多孔硅碳复合材料包含硅颗粒、含氟镁化合物和碳，因此当将多孔硅碳复合材料施用于负极活性材料时，可以提高放电容量以及初始效率和容量保持率。
[0028]此外，根据实施方案的方法具有可以通过步骤最少化的连续方法进行大规模生产的优点。
附图说明
[0029]附属于本说明书的附图示出了本专利技术的优选实施方案，并用于进一步理解本专利技术的技术思想以及对本专利技术的描述。因此，本专利技术不应被解释为仅限于附图中所示的那些。
[0030]图1a为实施例1中制备的多孔硅复合材料(复合材料B1)的扫描电子显微镜(SEM)照片。图1b为实施例1中制备的多孔硅复合材料(复合材料B1)的离子束扫描电子显微镜(FIB
‑
SEM)照片。
[0031]图2a至图2d为实施例1中制备的多孔硅碳复合材料(复合材料C1)的表面的场发射扫描电子显微镜(FE
‑
SEM)照片。它们分别根据放大倍数显示于图2a至图2d中。
[0032]图3为实施例1中制备的多孔硅碳复合材料(复合材料C1)的离子束扫描电子显微镜(FIB
‑
SEM)照片。
[0033]图4为实施例1中制备的多孔硅碳复合材料(复合材料C1)的FIB
‑
SEM EDAX照片和复合材料中组分的分析表。
[0034]图5示出实施例1中制备的多孔硅碳复合材料(复合材料C1)的透射电子显微镜(TEM/EDS)分析的结果。
[0035]图6a至图6c示出实施例1的硅复合氧化物(复合材料A1)(图6a)、多孔硅复合材料(复合材料B1)(图6b)和多孔硅碳复合材料(复合材料C1)(图6c)的X射线衍射分析的测量结果。
[0036]图7示出实施例2的多孔硅碳复合材料(复合材料C2)的X射线衍射分析的测量结果。
[0037]图8示出实施例5的多孔硅碳复合材料(复合材料C5)的X射线衍射分析的测量结果。
[0038]图9示出实施例1的多孔硅碳复合材料(复合材料C1)的拉曼分析的测量结果。
具体实施方式
[0039]本专利技术不限于以下公开的内容。相反，只要不改变本专利技术的要旨，就可以以各种形式对其进行修改。
[0040]在本说明书中，除非另有说明，否则当某部分被称为“包含”某要素时，应理解为该部分也可以包括其他要素。
[0041]此外，除非另有说明，否则本文中使用的与组分、反应条件等的量相关的所有数字和表达均应理解为由术语“约”修饰。
[0042]在下文，将详细地描述本专利技术。
[0043][多孔硅碳复合材料][0044]根据本专利技术的实施方案的多孔硅碳复合材料包含硅颗粒、含氟镁化合物和碳。
[0045]由于根据实施方案的多孔硅碳复合材料包含硅颗粒、含氟镁化合物和碳，因此当将多孔硅碳复合材料施用于负极活性材料时，可以提高放电容量以及初始效率和容量保持率。
[0046]具体地，由于根据实施方案的多孔硅碳复合材料同时包含硅颗粒和含氟镁化合物，所以在向硅颗粒充入锂离子以及从硅颗粒释放锂离子的情况下，充电期间在含氟镁化合物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种多孔硅碳复合材料，所述多孔硅碳复合材料包含硅颗粒、含氟镁化合物和碳。2.根据权利要求1所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述多孔硅碳复合材料在其内部包含孔，并且所述多孔硅碳复合材料中的孔的孔隙率为基于多孔硅碳复合材料的体积的0.1体积％至40体积％。3.根据权利要求1所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述含氟镁化合物包括氟化镁(MgF2)、氟硅酸镁(MgSiF6)或其混合物。4.根据权利要求3所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述氟化镁(MgF2)的如通过X射线衍射分析测得的微晶尺寸为2nm至35nm。5.根据权利要求1所述的多孔硅碳复合材料，其进一步包含硅酸镁。6.根据权利要求5所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述硅酸镁包括MgSiO3晶体、Mg2SiO4晶体或其混合物。7.根据权利要求1所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述多孔硅碳复合材料中镁(Mg)的含量为基于多孔硅碳复合材料的总重量的0.5重量％至20重量％。8.根据权利要求3所述的多孔硅碳复合材料，其在X射线衍射分析中的IB/IA为大于0至1，IB/IA为MgF2(111)晶面的衍射峰强度(IB)与Si(220)晶面的衍射峰强度(IA)之比。9.根据权利要求1所述的多孔硅碳复合材料，其进一步包含硅氧化物化合物。10.根据权利要求9所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述硅氧化物化合物为SiO
x
(0.5≤x≤2)。11.根据权利要求1所述的多孔硅碳复合材料，其中，硅(Si)的含量为基于多孔硅碳复合材料的总重量的8重量％至95重量％。12.根据权利要求1所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述硅颗粒是无定形形式、微晶尺寸为2nm至20nm的晶体形式或它们的混合物。13.根据权利要求1所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述多孔硅碳复合材料包含硅复合材料和在所述硅复合材料的表面上的碳层，所述硅颗粒和含氟镁化合物存在于所述硅复合材料中，并且碳存在于所述硅颗粒和含氟镁化合物的一部分的表面或全部的表面上以形成碳层。14.根据权利要求13所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述多孔硅碳复合材料中存在的氧原子与硅原子的摩尔比(O/Si)为0.01至小于1。15.根据权利要求13所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述碳层包括选自石墨烯、还原氧化石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维和石墨中的至少一种。16.根据权利要求1所述的多孔硅碳复合材料，其中，碳(C)的含量为基于多孔硅碳复合材料的总重量的3重量％至80重量％。17.根据权利要求13所述的多孔硅碳复合材料，其中，所述碳层具有1nm至300nm的厚度。18.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：林钟赞，李廷贤，全永珉，林成宇，朴正圭，李炫锡，林贤喜，南相镇，李欧朗，
申请(专利权)人：大洲电子材料株式会社，
类型：发明
国别省市：