【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池负极材料，尤其涉及一种金刚石包覆纳米硅的硅碳负极材料及其制备方法。
技术介绍
1、在电动汽车快速发展的背景下，高能量密度、高续航的动力电池需求日益递增，锂离子电池由于具有高的能量密度已经成为当前动力电池的首选，锂离子电池的正负极材料是锂离子电池的关键材料，决定电池的能量密度及续航等重要性能，也迎来比能量、循环稳定性、高低温性能以及安全性能的高要求。
2、硅基负极材料作为未来负极材料的一种，其理论克容量约为4200mah/g，比石墨类负极的372mah/g高出了10倍有余，其产业化后，将大大提升电池的容量。但是硅作为负极材料在嵌锂时会有较大的体积膨胀，约为300％，膨胀使硅颗粒的破碎脱落导致电池失效，同时由于硅与电解液的副反应，在充放电时会在表面产生sei膜，颗粒破碎不断产生新的表面，不断生成sei膜消耗锂离子，导致循环稳定性降低。
3、鉴于这个问题，研究人员提出了不同方法来改性硅负极材料。比较常见的是与碳材料复合，早期人们将硅砂磨成纳米级别材料，然后与碳前驱体材料进行混合后造粒碳化，形成碳包覆的纳米硅材料，利用碳材料提高缓冲硅的体积膨胀。公开专利cn103367727a将纳米硅、分散剂、粘结剂和颗粒状石墨在有机溶剂中混合干燥后加入至碳源前驱体的分散液中，混合二次干燥，热处理后得到锂离子电池硅碳负极材料。但是该材料纳米硅由机械研磨制备，由于物理限制，难以将硅破碎至较低的粒径，目前行业内最低研磨至100-500nm；其次，纳米硅与碳材料复合，在复合时会造成纳米硅的二次团聚，且碳化后改性
4、针对以上原因，近年来研究人员将多孔碳作为前驱体，将含硅元素化合物通入多孔碳孔隙中，从而获得新型的硅碳复合材料，美国专利us11611071b2公布了一种制备方法，选择特定的高分子预聚物，将其聚合成高分子材料，在高温下碳化高分子材料得到有多孔结构的碳颗粒，向碳颗粒里注入含硅元素的化合物，加热将含硅化合物分解成纳米硅颗粒填充在孔隙里。采用此种方法将硅和碳材料结合，缓解材料体积膨胀。但是此种方法气相沉积的纳米硅颗粒粒径在几纳米到几十纳米之间，较小的粒径带来材料比表面积过大，固液接触面过多形成的界面效应导致材料副反应增大，在高温下会产气和电池失效等问题，增加安全风险；另外，此种工艺并不能保证硅全部沉积在多孔碳的孔隙中，在多孔碳材料的表面，存在大量裸露的纳米硅，裸露的纳米硅会加剧界面副反应且降低循环稳定性，同时在多孔碳表面的纳米硅没有多孔碳的限制作用在循环过程中容易膨胀破碎脱落，进一步降低循环稳定性。
技术实现思路
1、基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种金刚石包覆纳米硅的硅碳负极材料及其制备方法，利用金刚石的超高机械性能，抑制多孔碳中纳米硅颗粒的膨胀破碎效应，从而有效提升循环性能，同时金刚石可以包覆在表面裸露的纳米硅表面，有效避免了纳米硅与电解液直接接触，减少副反应，增加安全性能。
2、本专利技术提出的一种金刚石包覆纳米硅的硅碳负极材料，包括硅碳内核和包覆在所述硅碳内核表面的碳包覆层；
3、其中，所述硅碳内核包括多孔碳、分布在所述多孔碳孔隙中的纳米硅以及包覆在所述纳米硅表面的金刚石。
4、本专利技术中，所述硅碳负极材料为核壳结构，包括硅碳内核和碳包覆层，硅碳内核以多孔碳作为缓冲介质，调节硅在嵌锂/脱锂中的体积变化，释放硅的机械应力，提高硅碳负极材料的循环性能；纳米硅表面包覆金刚石，金刚石具有非常高的力学强度，可以保持硅碳负极材料整体结构的稳定性，从而防止硅碳负极材料在充放电过程中内部巨大的体积变化；碳包覆层提高了硅碳负极材料的导电性能，提高首次库伦效率。
5、优选地，所述多孔碳的的比表面积为500-3000m2/g，孔径d50小于50nm，孔容为0.1-2ml/g；
6、优选地，所述碳包覆层的厚度为10-2000nm。
7、优选地，所述纳米硅的粒径d50为5-150nm；
8、优选地，所述硅碳负极材料中硅含量为30-80wt％。
9、本专利技术还提出一种上述硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：
10、s1、在多孔碳孔隙中沉积纳米硅，得到硅碳内核前驱体；
11、s2、在所述硅碳内核前驱体中的纳米硅表面构筑金刚石，得到硅碳内核；
12、s3、在所述硅碳内核表面包覆碳包覆层，即得到所述硅碳负极材料。
13、本专利技术中，通过硅源热解生成纳米硅并沉积到多孔碳孔隙中，得到硅碳内核前驱体；再通过微波热处理使得碳源气体在硅碳内核前驱体中纳米硅表面原位生成金刚石，原位形成的金刚石紧密包覆在纳米硅表面，从而有效提升循环性能；之后碳源气体作为碳源进行碳包覆，可使制得的碳包覆层均匀可控，且不容易引入杂原子，导电性更高，得到的硅碳负极材料性能更优。
14、优选地，步骤s1中，所述“在多孔碳孔隙中沉积纳米硅”具体包括：将多孔碳置于硅源气氛中进行热解沉积。
15、优选地，所述硅源气氛包括硅源气体和惰性气体；
16、所述硅源气体为甲硅烷、乙硅烷、三氯氢硅或二氯氢硅中的至少一种，所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的至少一种；
17、优选地，所述热解沉积温度为400-600℃，时间为3-6h。
18、优选地，步骤s2中，所述“在所述硅碳内核前驱体中的纳米硅表面构筑金刚石”具体包括：将所述硅碳内核前驱体置于碳源气氛中进行微波热处理。
19、优选地，所述碳源气氛包括碳源气体和氢气；
20、所述碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷或正丁烷中的至少一种；
21、优选地，所述微波热处理的温度为800-1200℃，微波功率为1200-1500w，时间为5-30min。
22、优选地，步骤s3中，所述“在所述硅碳内核表面包覆碳层”具体包括：将所述硅碳内核置于碳源气氛中进行热解沉积。
23、优选地，所述碳源气氛包括碳源气体和惰性气体；
24、所述碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷或正丁烷中的至少一种，所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的至少一种；
25、优选地，所述热解沉积的温度为700本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金刚石包覆纳米硅的硅碳负极材料，其特征在于，包括硅碳内核和包覆在所述硅碳内核表面的碳包覆层；
2.根据权利要求1所述金刚石包覆纳米硅的硅碳负极材料，其特征在于，所述多孔碳的的比表面积为500-3000m2/g，孔径D50小于50nm，孔容为0.1-2mL/g；
3.根据权利要求1或2所述金刚石包覆纳米硅的硅碳负极材料，其特征在于，所述纳米硅的粒径D50为5-150nm；
4.一种权利要求1-3任一项所述硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述“在多孔碳孔隙中沉积纳米硅”具体包括：将多孔碳置于硅源气氛中进行热解沉积。
6.根据权利要求5所述硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述硅源气氛包括硅源气体和惰性气体；
7.根据权利要求4-6任一项所述硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述“在所述硅碳内核前驱体中的纳米硅表面构筑金刚石”具体包括：将所述硅碳内核前驱体置于碳源气氛中进行微波热处理。
8.
9.根据权利要求4-8任一项所述硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，所述“在所述硅碳内核表面包覆碳层”具体包括：将所述硅碳内核置于碳源气氛中进行热解沉积。
10.根据权利要求9所述硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述碳源气氛包括碳源气体和惰性气体；
...【技术特征摘要】
1.一种金刚石包覆纳米硅的硅碳负极材料，其特征在于，包括硅碳内核和包覆在所述硅碳内核表面的碳包覆层；
2.根据权利要求1所述金刚石包覆纳米硅的硅碳负极材料，其特征在于，所述多孔碳的的比表面积为500-3000m2/g，孔径d50小于50nm，孔容为0.1-2ml/g；
3.根据权利要求1或2所述金刚石包覆纳米硅的硅碳负极材料，其特征在于，所述纳米硅的粒径d50为5-150nm；
4.一种权利要求1-3任一项所述硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中，所述“在多孔碳孔隙中沉积纳米硅”具体包括：将多孔碳置于硅源气氛中进行热解沉积。
6.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：程成，
申请(专利权)人：合肥国轩新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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