本发明专利技术属于储能材料技术领域，具体为一种多孔碳的制备方法及其在硅碳负极上的应用。本发明专利技术通过将第一碳材料(二维碳或三维碳材料)、第二碳材料(具有长链或长链加支链的一维碳材料)和分散剂加入水中，干燥后得到多孔碳前驱体材料，再热处理后制得多孔碳材料；并可调制第一碳材料和第二碳材料配比得到不同的比表面积和振实密度的多孔碳骨架。进而在沉积硅、碳层后应用于锂离子电池负极材料，实现高比容量、优秀的循环稳定性和良好的倍率性能；同时多孔碳骨架还具有比表面积、容量、振实密度的可定制性，满足不同的应用场景，具备巨大的市场化潜力，且工艺简单，适合大规模工业制备，为储能技术的发展应用提供了一定的基础。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于储能材料，具体涉及一种多孔碳的制备方法及其在硅碳负极上的应用。
技术介绍
1、储能技术已成为电网规模和移动能源应用场景的迫切需求，迄今为止，锂离子电池(libs)作为最有前途的储能手段之一，广泛应用于汽车，电网等领域。传统的石墨负极由于理论容量(372mah/g)较低，已经无法满足目前电动汽车或智能电网的发展，因此需要更高容量的电极材料来实现更高能量密度的电池。硅材料是一种理想的电池负极材料，其室温储锂容量高达3579mah/g，接近石墨材料的10倍，在脱嵌锂时结构相对稳定，同时嵌锂电位略高于石墨，不易产生锂枝晶，并且资源丰富，价格低廉，环境友好，有极大的商业化潜力。
2、然而硅基负极材料在嵌脱锂过程中伴随着严重的体积膨胀与收缩，从而导致电极上的活性物质粉化脱落，影响了活性物质和集流体之间的连接，干扰了电子传输，最终导致容量衰减。同时，由于在脱嵌锂过程中产生的重复的体积膨胀和收缩，使得硅基材料与电解质之间形成的sei膜(solid electrolyte interface，固体电解质界面膜)逐渐增厚。
3、为了解决上述问题，将硅基材料和碳复合是行业最常采用的方法。cvd技术在碳基材上沉积硅材料是目前最具前景的方式，但是传统的碳基材(石墨，硬碳等)具有较小的比表面积，硅的沉积量小，容量低，并且缺乏硅体积膨胀的空间，不具备较大的商业价值。普通的多孔碳材料由于振实密度过低，材料强度不够高等原因，难以满足市场对长循环高倍率性能的影响。碳基材是制约cvd沉积多孔硅碳材料性能的最关键因素。
r/>技术实现思路
1、针对上述存在的问题或不足，为解决现有的技术问题，本专利技术提供了一种多孔碳的制备方法及其在硅碳负极上的应用，设计了一种新型的多孔碳材料，多孔碳中的碳骨架具有很高的强度和导电性，其弥散层在碳骨架上的堆叠极大的增加了硅材料的附着位点，预留了体积膨胀的空间，并由此验证了它在cvd沉积硅碳负极上的应用。本专利技术还可通过使用不同的碳骨架和弥散层不仅可以实现材料克容量的定制化，并且可以控制材料的振实密度，满足市场对不同硅基负极材料的需求。
2、一种多孔碳的制备方法，具体步骤如下：
3、步骤1、将第一碳材料，第二碳材料，分散剂加入水中，固含量1％-15％，在150-230℃的温度下喷雾干燥，得到多孔碳前驱体。
4、所述第一碳材料为二维碳或三维碳材料，所述第二碳材料为具有长链或长链加支链的一维碳材料；其中，第一碳材料:第二碳材料的质量比为1:3-3:1之间。
5、步骤2、在500-1500℃，将步骤1所得多孔碳前驱体在氩气的保护下热处理至少1h，得到多孔碳材料。多孔碳材料的结构类似红毛丹结构，可分为碳骨架和弥散层，以第一碳材料作为碳骨架，第二碳材料作为弥散层。
6、进一步的，所述第一碳材料为石墨烯，氧化石墨烯，硬碳，石墨或中间相碳微球。
7、进一步的，所述第二碳材料为碳纳米管，碳纳米纤维和导电炭黑的一种或几种。
8、进一步的，所述步骤1中分散剂为pvp、cmc和paa中的一种或几种。
9、进一步的，所述步骤2中热处理温度为600-1000℃，时间为1-5h。
10、上述多孔碳在硅碳负极上的应用，具体步骤如下：
11、步骤1、在350-650℃以硅烷为硅源，对上述多孔碳材料进行硅沉积，沉积厚度为3-200nm，得到多孔硅碳前驱体。
12、步骤2、将步骤1所得多孔硅碳前驱体在500-900℃下进行厚度3-100nm碳层包覆，得到多孔硅碳复合材料，进而作为锂离子电池负极材料。
13、进一步的，所述步骤2中采用cvd或pecvd沉积碳，相应的碳源为甲烷、乙烯和丙烯中的一种或几种。
14、进一步的，所述步骤2中pecvd射频功率为100-500w。
15、本专利技术提供的多孔硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料时，通过实验验证：具有较高的首次库伦效率，并且电池容量较，循环稳定性较好，是一种非常有应用潜能的锂离子电池负极材料，制备得到锂离子电池在首圈电流为200ma/g测试条件下，首次库伦效率为78-85％，首周放电容量为1500-2600mah/g，循环稳定性较高。
16、综上所述，与现有硅碳复合材料相比，本专利技术有以下优势：1.当材料应用于电池负极材料时，独特的碳骨架结构使得材料颗粒内部，颗粒与颗粒之间，颗粒与导电剂(极片中用作保持颗粒之间的电接触的部分，常用的有科琴黑，碳纳米管等)之间有非常好的电接触，电池极化小，倍率性能好。2.本专利技术多孔碳的骨架结构为硅的膨胀预留了空间，有较好的循环稳定性。3.本专利技术的材料具有比表面积，容量，振实密度的可定制性，完美匹配市场需求。且本专利技术的工艺简单，适合大规模工业制备。
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【技术保护点】
1.一种多孔碳的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.如权利要求1所述多孔碳的制备方法，其特征在于：所述第一碳材料为石墨烯，氧化石墨烯，硬碳，石墨或中间相碳微球。
3.如权利要求1所述多孔碳的制备方法，其特征在于：所述第二碳材料为碳纳米管，碳纳米纤维和导电炭黑的一种或几种。
4.如权利要求1所述多孔碳的制备方法，其特征在于：所述步骤1中分散剂为PVP、CMC和PAA中的一种或几种。
5.如权利要求1所述多孔碳的制备方法，其特征在于：所述步骤2中热处理温度为600-1000℃，时间为1-5h。
6.如权利要求1所述多孔碳的应用，其特征在于，具体步骤如下：
7.如权利要求6所述多孔碳的应用，其特征在于：所述步骤2中采用CVD或PECVD沉积碳，相应的碳源为甲烷、乙烯和丙烯中的一种或几种。
8.如权利要求7所述多孔碳的应用，其特征在于：所述步骤2中PECVD射频功率为100-500W。
【技术特征摘要】
1.一种多孔碳的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.如权利要求1所述多孔碳的制备方法，其特征在于：所述第一碳材料为石墨烯，氧化石墨烯，硬碳，石墨或中间相碳微球。
3.如权利要求1所述多孔碳的制备方法，其特征在于：所述第二碳材料为碳纳米管，碳纳米纤维和导电炭黑的一种或几种。
4.如权利要求1所述多孔碳的制备方法，其特征在于：所述步骤1中分散剂为pvp、cmc和paa中的一种或几种。
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【专利技术属性】
技术研发人员：周海平，刘畅，邓拓，吴孟强，徐自强，张庶，冯婷婷，方梓烜，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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