一种金属与硅掺杂硬碳复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池材料制备技术领域，具体涉及一种金属与硅掺杂硬碳复合材料及其制备方法，按质量份计：制备金属与硅掺杂硬碳复合材料的原料包括；硅烷偶联剂1

【技术实现步骤摘要】
一种金属与硅掺杂硬碳复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料制备
，具体涉及一种金属与硅掺杂硬碳复合材料及其制备方法
。

技术介绍

[0002]硬碳材料以其低温性能高
、
零膨胀及其材料来源广泛等优点而应用于锂离子电池与钠离子电池，但是其存在首次效率低，比容量偏低（
300mAh/g
）及其电子导电率差降低常温条件下电池的倍率性能
。
而硅氧基材料以其比容量高（
1700mAh/g
），材料来源广泛应用于高比能量密度锂离子电池，但是存在膨胀高限制其应用领域
。
[0003]对于上述材料自身存在的缺陷，需要将两种及其两种以上的材料进行混合，发挥其各自的优点提升材料的能量密度，降低膨胀及其改善功率性能
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种金属与硅掺杂硬碳复合材料及其制备方法，能够通过液相法在硬碳前驱体中掺混硅烷偶联剂及其金属，碳化形成硅及其金属的掺杂，并在其外壳掺杂硼掺杂无定形碳提升材料的功率性能及其首次效率
。
[0005]本专利技术采取的技术方案具体如下：一种金属与硅掺杂硬碳复合材料，应用于锂离子电池或钠离子电池，按质量份计：制备所述金属与硅掺杂硬碳复合材料的原料包括；硅烷偶联剂1‑
10
份，含氮碳氢化合物
100
份，金属1‑5份；所述硅烷偶联剂为
γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷
、
γ
‑
氨丙基三甲氧基硅烷
、
γ
‑
氨丙基甲基二乙氧基硅烷
、
γ
‑
氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种；所述含氮碳氢化合物为甲基胺
、
二甲基胺
、
三甲基胺（
TMA
）
、
三乙基胺
、
苯胺
、
吡啶中的一种；所述金属为纳米铜
、
纳米银，纳米镍中的一种
。
[0006]一种金属与硅掺杂硬碳复合材料的制备方法，用于制备上述的金属与硅掺杂硬碳复合材料，其特征在于：包括以下步骤：步骤一
、
将硅烷偶联剂添加到含氮碳氢化合物的水性溶液中均匀分散，制成第一溶液；步骤二
、
将金属添加至第一溶液中，并转移至球磨机中进行均匀分散，制成第二溶液；步骤三
、
将第二溶液进行喷雾干燥以及粉碎，得到前驱体材料；步骤四
、
将前驱体材料转移到管式炉中，并依次通入碳源气体
、
硼烷气体和惰性气体，得到硬碳与金属与硅复合材料；步骤五
、
将硬碳与金属与硅复合材料转移至管式炉中，并通入二氧化碳气体，得到金属与硅掺杂硬碳复合材料
。
[0007]在一种优选方案中，步骤一中，所述含氮碳氢化合物的水性溶液中含氮碳氢化合物的重量含量为1‑
10wt%。
[0008]在一种优选方案中，步骤二中，所述金属的粒径为
200
‑
1000nm。
[0009]在一种优选方案中，步骤一和步骤二中，所述硅烷偶联剂：含氮碳氢化合物：金属的质量比例为1‑
10
：
100
：1‑
5。
[0010]在一种优选方案中，步骤四中，所述通入碳源气体时管式炉升温至
600
‑
800℃
，气体流量为
10
‑
100ml/min
，沉积时间为
30
‑
300min
，所述通入硼烷气体时管式炉升温至
800
‑
1200℃
，气体流量1‑
10ml/min
，沉积时间为
30
‑
300min
，所述通入惰性气体时管式炉降温至室温
。
[0011]在一种优选方案中，步骤五中，所述通入二氧化碳气体时，气体流量
50
‑
200ml/min
，温度为
200
‑
400℃
，反应时间为
30
‑
300min。
[0012]在一种优选方案中，步骤四中，所述碳源气体为甲烷气体
、
乙炔气体和乙烯气体中的一种
。
[0013]在一种优选方案中，步骤四中，所述惰性气体为氩气惰性气体
。
[0014]本专利技术取得的技术效果为：本专利技术通过硅烷偶联剂与金属将含氮碳氢化合物溶液进行偶联
、
碳化，得到金属与硅基材料掺杂无定形碳，并通过气体沉积在其前驱体材料表面沉积硼掺杂无定形碳提升材料的电子导电率及其首次效率；本专利技术通过二氧化碳气体对其硬碳与金属与硅复合材料扩层，提升材料的层间距，有利于充放电过程中锂离子与钠离子的嵌脱，提升倍率性能，同时二氧化碳处理较少材料的表面缺陷，提升材料的首次效率
。
附图说明
[0015]图1是本专利技术实施例1制备出的金属与硅掺杂硬碳复合材料的
SEM
图
。
具体实施方式
[0016]为使本专利技术的上述目的
、
特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明
。
[0017]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本专利技术内涵的情况下做类似推广，因此本专利技术不受下面公开的具体实施例的限制
。
[0018]其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本专利技术至少一个实现方式中的特定特征
、
结构或特性
。
在本说明书中不同地方出现的“在一个较佳的实施方式中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例
。
[0019]再其次，本专利技术结合示意图进行详细描述，在详述本专利技术实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本专利技术保护的范围
。
此外，在实际制作中应包含长度
、
宽度及深度的三维空间尺寸
。
[0020]一种金属与硅掺杂硬碳复合材料，应用于锂离子电池或钠离子电池，按质量份计：制备所述金属与硅掺杂硬碳复合材料的原料包括；
硅烷偶联剂1‑
10
份，含氮碳氢化合物
100
份，金属1‑5份；所述硅烷偶联剂为
γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷
、
γ
‑
氨丙基三甲氧基硅烷
、
γ
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种金属与硅掺杂硬碳复合材料，应用于锂离子电池或钠离子电池，其特征在于：按质量份计：制备所述金属与硅掺杂硬碳复合材料的原料包括；硅烷偶联剂1‑
10
份，含氮碳氢化合物
100
份，金属1‑5份；所述硅烷偶联剂为
γ
‑
氨丙基三乙氧基硅烷
、
γ
‑
氨丙基三甲氧基硅烷
、
γ
‑
氨丙基甲基二乙氧基硅烷
、
γ
‑
氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种；所述含氮碳氢化合物为甲基胺
、
二甲基胺
、
三甲基胺（
TMA
）
、
三乙基胺
、
苯胺
、
吡啶中的一种；所述金属为纳米铜
、
纳米银，纳米镍中的一种
。2.
一种金属与硅掺杂硬碳复合材料的制备方法，用于制备如权利要求1所述的金属与硅掺杂硬碳复合材料，其特征在于：包括以下步骤：步骤一
、
将硅烷偶联剂添加到含氮碳氢化合物的水性溶液中均匀分散，制成第一溶液；步骤二
、
将金属添加至第一溶液中，并转移至球磨机中进行均匀分散，制成第二溶液；步骤三
、
将第二溶液进行喷雾干燥以及粉碎，得到前驱体材料；步骤四
、
将前驱体材料转移到管式炉中，并依次通入碳源气体
、
硼烷气体和惰性气体，得到硬碳与金属与硅复合材料；步骤五
、
将硬碳与金属与硅复合材料转移至管式炉中，并通入二氧化碳气体，得到金属与硅掺杂硬碳复合材料
。3.
根据权利要求2所述的一种金属与硅掺杂硬碳复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述含氮碳氢化合物的水性溶液中含氮碳氢化合物的重量含量为1‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王福寿，裴国军，王福国，王福山，裴成勇，曹志平，王海旭，
申请(专利权)人：新疆天宏基科技有限公司，
类型：发明
国别省市：