【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及硅碳负极材料，具体涉及一种光解硅烷制备得到的硅碳负极及其制备方法。
技术介绍
1、硅基负极材料因其具有高的理论比容量(4200mah/g)，被认为是下一代锂离子电池的理想负极材料。然而，硅基负极材料在充放电过程中存在严重的体积膨胀和收缩问题，这会导致电极结构的破坏和电接触的丧失，从而影响电池的循环性能。为了解决这个问题，一种常见的方法是在多孔碳的孔隙中填充硅，形成硅碳复合材料，以缓冲硅的体积变化。其中，硅烷裂解是一种常用的方法，即通过高温热解硅烷，使硅沉积在多孔碳的孔隙中。现有的主流技术是采用硅烷裂解在多孔碳的孔隙之中，随后进行包覆得到硅碳复合材料。这种方法的主要步骤包括：首先，将硅烷气体引入到含有多孔碳的反应器中；然后，通过加热使硅烷气体裂解，生成的硅沉积在多孔碳的孔隙中；最后，通过热处理对沉积的硅进行包覆，得到硅碳复合材料。比如cn116742002a、cn117673333a、cn117650243a中所公开的技术方案。通过对气态硅源进行热处理，使硅烷分解沉积硅。但是热解硅烷沉积的制备工艺存在一些问题：首先，热解过程的温度控制困难，容易导致硅的结晶，造成材料的体积膨胀过大，从而影响其循环性能。其次，热解过程的速度难以控制，硅烷链式反应和复杂的分解过程，导致硅在多孔碳上的团聚和分布不均匀，这也会影响电池的性能。此外，热解过程中被设备要求高，硅烷在多孔碳中的沉积效率不高，易导致硅烷利用率低，这也是一个需要解决的问题。
技术实现思路
1、为了解决现有技术中热解硅烷生产
2、一种光解硅烷制备得到的硅碳复合材料，其特征在于，形貌为不规则形状，表面光滑，d50为6-10μm，硅颗粒均匀分布在多孔碳的孔隙结构中，si含量在45～55wt％，其中非晶硅占比≥99.5wt％，所述硅颗粒是硅烷工艺气体在光敏剂存在下沉积在多孔碳的孔隙中。
3、进一步地，所述硅碳复合材料还经过碳包覆，碳包覆层的厚度为5-20nm，包覆碳含量为2-5wt％。
4、本专利技术第二个目的是提供上述光解硅烷制备得到的硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
5、将多孔碳材料和光敏剂溶液置于反应器中，混合均匀，将光敏剂溶液的溶剂挥发干净，通入硅烷工艺气体，在光照条件下使硅烷光解均匀沉积在多孔碳孔隙中。
6、与传统的热解硅烷相比，光解的速率相对较慢，在分解过程中能形成更细小的晶核，防止硅颗粒的过度生长和团聚。由于这种相对较慢的分解速度也使得沉积的硅烷更加均匀。通过控制光照的时间能够精确控制硅烷的分解，避免硅烷的过量沉积而裸露在多孔碳的外表面。同时，加入适当的光敏剂能有效促进硅烷的分解，提高硅烷的利用率。
7、进一步地，所述多孔碳比表面积为1500-2500m2/g，孔容为0.6-1.5cm3/g。
8、进一步地，所述硅烷工艺气体为含有c1-4烷基的硅烷，具体选自甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷、丁硅烷中的至少一种；所述光敏剂选自芳香重氮盐(如氯化重氮苯，硫酸重氮苯)、芳香酮类、苯乙烯、丙烯酸烷基酯中的至少一种；
9、更进一步地，芳香酮类选自芳香酮类、苯乙酮、二苯酮、二氯苯乙酮中的至少一种；所述芳香重氮盐选自氯化重氮苯、硫酸重氮苯中的至少一种。
10、优选地，所述光敏剂为芳香酮类和芳香重氮盐按照质量比1-3:1-3的复配。专利技术人发现，以上述复配的光敏剂，可以使光解硅烷所得产品的电化学性能更加优异，可能的原因是两种光敏剂协同发挥配合作用，由于每种光敏剂对光子的吸收程度、敏化时长和响应时间存在差异，混合光敏剂的使用可以提高光源能量的利用率和硅烷的分解效率。
11、进一步地，光敏剂溶液的溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮等低沸点溶剂；光敏剂溶液中光敏剂浓度为1-5wt％；将光敏剂溶液的溶剂挥发干净，是避光条件下在抽真空条件下加热30-50℃，所述抽真空条件是0.01-0.1mpa。
12、进一步地，多孔碳、硅烷工艺气体、光敏剂的用量比例为1kg：800-1200l：10-50g。
13、进一步地，光照条件是光照波长300-600nm，光强100-500mw/cm2。
14、进一步地，硅烷的气体流速和多孔碳质量比例为1.5-3l/min/kg，沉积时间10-16h。
15、更进一步地，光照条件是在光照沉积时间内，光强从100mw/cm2至500mw/cm2逐步提高；光强提高可以是线性提高，即在沉积时间内，光照强度提高程度程线性增长；也可以为分阶段光强提高，比如，100-200mw/cm2光照2-16h，300-400mw/cm2光照2-16h，450-500mw/cm2光照1-16h。逐步提高光照强度，首先在较低光照强度的作用下，硅烷缓慢分解在多孔碳的孔隙中分解，形成大量细小晶核，这些晶核在高比表面的作用下吸附着床在多孔碳的孔隙中，有效避免硅的团聚和在多孔碳的表面沉积，从而使非晶硅沉积得更加均匀，光敏剂能够吸收光子，转移能量，提高硅烷的利用率。之后逐渐提高光照强度，使硅烷分解效率加快。但如果一开始就使用较强的光照强度，会使硅烷沉积不够均匀，影响了硅碳复合负极材料的电化学性能发挥。
16、进一步地，所述硅碳复合材料的制备方法的制备方法还包括碳包覆的工艺：将光解硅烷得到的硅碳复合材料，转入回转炉，通入含碳工艺气体，在惰性气氛保护下以及450-650℃高温条件下进行碳包覆。
17、更进一步地，所述含碳工艺气体选自c1-4烷烃(甲烷、乙烷、丙烷、丁烷)、c2-4的烯烃(乙烯、丙烯、丁烯、1，3-丁二烯)、c2-4的炔烃(乙炔、丙炔、丁炔)中的至少一种。所述惰性气体为氮气和/或氩气。
18、进一步地，含碳工艺气体和多孔碳的比例为10-20l：10kg，气流速率和多孔碳质量为1-3l/min：1kg升温至450-650℃的升温速率是1-20℃/min，优选5-10℃/min。碳包覆的时间为3-10h，比如3h，6h，10h。
19、本专利技术与其它现有技术相比较，具有以下特点：
20、一、本专利技术的制备工艺中，由于硅是以光解非晶态的形式存在，体积膨胀率更低，且沉积是低温条件下进行，能有效避免碳化硅的生成以及非晶硅转变促成晶体硅。并且硅的沉积更加均匀稳定，避免了硅颗粒的团聚和沉积在多孔碳的表面现象。总体而言，相对于热解硅烷沉积的工艺，本专利技术的光解硅烷沉积工艺，晶体硅的比例更少，硅颗粒粒径更小，硅沉积在多孔碳中的概率更高，硅的分布更加均匀。
21、二、本专利技术工艺采用光照分解硅烷的方式将硅沉积在多孔碳上：通过控制光照的强度、时间和种类，可以精确控制硅烷的分解速度，形成细小的晶核，使得硅能够在多孔碳上均匀分布防止硅团聚，从而提高电池性能。
22、三、通过添加少本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种光解硅烷制备得到的硅碳复合材料，其特征在于，形貌为不规则形状，表面光滑，D50为6-10μm，硅颗粒均匀分布在多孔碳的孔隙结构中，Si含量在30～70wt％，优选40-55％，其中非晶硅占比≥99.5wt％，所述硅颗粒是硅烷工艺气体在光敏剂存在下沉积在多孔碳的孔隙中。
2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料还经过碳包覆，1-30nm，优选5-20nm,碳含量0.5-6wt％，优选2-5wt％。
3.权利要求1或2所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述多孔碳比表面积为1500-2500m2/g，孔容为0.6-1.5cm3/g。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述硅烷工艺气体为含有C1-4烷基的硅烷，具体选自甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷、丁硅烷中的至少一种；所述光敏剂选自芳香重氮盐、芳香酮类、苯乙烯、丙烯酸烷基酯中的至少一种；
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述光敏剂为芳香酮类和芳香重氮盐按照质
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，光敏剂溶液的溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮等低沸点溶剂；光敏剂溶液中光敏剂浓度为1-5wt％；将光敏剂溶液的溶剂挥发干净，是避光条件下在抽真空条件下加热30-50℃，所述抽真空条件是0.01-0.1MPa；和/或
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，光照条件是光照波长300-600nm，光强100-500mW/cm2；和/或
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，光照条件是在光照沉积时间内，光强从100mW/cm2至500mW/cm2逐步提高；光强提高可以是线性提高，即在沉积时间内，光照强度提高程度程线性增长，或者分阶段光强提高；
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述硅碳复合材料的制备方法的制备方法还包括碳包覆的工艺：将光解硅烷得到的硅碳复合材料，转入回转炉，通入含碳工艺气体，在惰性气氛保护下以及450-650℃高温条件下进行碳包覆；
...【技术特征摘要】
1.一种光解硅烷制备得到的硅碳复合材料，其特征在于，形貌为不规则形状，表面光滑，d50为6-10μm，硅颗粒均匀分布在多孔碳的孔隙结构中，si含量在30～70wt％，优选40-55％，其中非晶硅占比≥99.5wt％，所述硅颗粒是硅烷工艺气体在光敏剂存在下沉积在多孔碳的孔隙中。
2.根据权利要求1所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料还经过碳包覆，1-30nm，优选5-20nm,碳含量0.5-6wt％，优选2-5wt％。
3.权利要求1或2所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述多孔碳比表面积为1500-2500m2/g，孔容为0.6-1.5cm3/g。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述硅烷工艺气体为含有c1-4烷基的硅烷，具体选自甲硅烷、乙硅烷、丙硅烷、丁硅烷中的至少一种；所述光敏剂选自芳香重氮盐、芳香酮类、苯乙烯、丙烯酸烷基酯中的至少一种；
6.根据权利要求5所述的制备方法，...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐泉，谷智强，张海文，谢菲，
申请(专利权)人：浙江格源新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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