【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于负极材料制备，具体涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、化石能源是我们重要的能源和物质基础，与人类发展密不可分，但化石能源的使用不仅带来了严重的环境污染，也使化石能源面临着枯竭的危险。因此，当务之急是发展清洁、可持续发展的新能源。
2、锂离子电池是目前最成功的一种新能源方式，已广泛运用于电动汽车、便携式电器、规模储能等领域；其具有相对高的能量密度，循环寿命较长，安全性相对可靠。而商用石墨是目前锂离子电池常用的负极材料，其理论比容量为372mah/g。石墨负极具有稳定性好，体积膨胀小的优点；但其比容量偏低，导致电池能量密度难以进一步提升。
3、硅的理论比容量4200mah/g，是石墨的十倍以上，因此，硅成为了开发高能量密度电池的首选负极材料。但，硅负极存在如下问题：1)在嵌锂、脱锂的过程中，硅体积膨胀收缩变化较大，如最大出现300％膨胀，造成极片脱落、电极粉化、电池循环性能急速衰退；2)硅是一种半导体，其本征导电性差。
技术实现思路
1、因此，本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术中在嵌锂、脱锂过程中硅体积变化较大，导致极片出现脱落、电极粉化，电池电性能下降等问题，从而提供一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。
2、为此，本专利技术提供了以下技术方案。
3、本专利技术提供了一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤，将硅源、碳源、模板剂和造孔剂混合，烧结；
4、其中，所述模板剂为纳米氧化镁、纳
5、所述造孔剂为氢氧化钾或磷酸溶液。
6、在一种可选的实施方式中，所述模板剂为纳米氧化镁、纳米氧化锌、纳米碳酸钙、氯化钠、氯化钾和氯化钙中的至少两种；
7、在一种可选的实施方式中，所述造孔剂为磷酸溶液。
8、在一种可选的实施方式中，所述模板剂包括氯化钙和纳米氧化锌；
9、在一种可选的实施方式中，所述磷酸溶液的浓度为不低于85wt％。
10、在一种可选的实施方式中，所述模板剂与所述造孔剂的质量比为(3-60)：(12-50)。
11、在一种可选的实施方式中，所述混合步骤还包括加入杂原子前驱体的步骤；
12、优选地，所述杂原子前驱体为含氮化合物；
13、优选地，所述杂原子前驱体为三聚氰胺、氨水、尿素、硫脲和磷酸氢铵中的至少一种；
14、优选地，所述杂原子前驱体与所述模板剂的质量比为(3-35)：(3-60)。
15、在一种可选的实施方式中，所述硅源、碳源、模板剂的质量比为(5-50)：(2-40)：(3-60)；
16、优选地，所述碳源为石油沥青、葡萄糖、煤热溶催化重质组分、木质素、酚醛树脂、环氧树脂和聚丙烯腈中的至少一种；
17、优选地，所述硅源为纳米硅、微米硅和多孔硅中的至少一种；
18、优选地，所述纳米硅的粒度为20-500nm；
19、优选地，所述微米硅的粒度为1-50μm。
20、在一种可选的实施方式中，所述烧结的具体步骤包括：以0.5-20℃/min的升温速率升温至350-1200℃后保温0.1-20h；
21、优选地，所述烧结是在保护气氛下进行的；
22、优选地，所述保护气氛包括惰性气体和氮气中的至少一种；
23、优选地，在进行所述烧结时，所述保护气氛的流量为30-500ml/min。
24、在一种可选的实施方式中，所述烧结之后还包括酸洗的步骤；
25、优选地，进行所述酸洗的酸洗液为盐酸、硝酸和硫酸中的至少一种；
26、优选地，所述酸洗液的浓度为1-3mol/l。
27、本专利技术提供一种由上述制备方法制备得到的硅碳复合材料。
28、本专利技术提供一种由上述制备方法制备得到的硅碳复合材料在极片和/或锂离子电池中的应用。
29、本专利技术技术方案，具有如下优点：
30、1.本专利技术提供的硅碳复合材料的制备方法，该制备方法包括将硅源、碳源、模板剂和造孔剂混合，烧结；其中，所述模板剂为纳米氧化镁、纳米氧化锌、纳米碳酸钙、氯化钠、氯化钾和氯化钙中的至少一种；所述造孔剂为氢氧化钾或磷酸。该制备方法制得的硅碳复合材料可以形成独特的孔结构，如具有特殊的表面积、孔容和孔径分布等，极大地缓解硅的体积变化，复合材料中硅含量高，现有技术中的硅负极在嵌锂过程中产生大的体积膨胀，脱锂后会部分收缩，反复的膨胀收缩导致电极材料粉化、脱落、循环性能变差，将本专利技术制得的该硅碳复合材料应用于极片或电池时，对膨胀收缩起到缓冲作用，不会出现极片脱落、电极粉化和电池性能下降的问题，使电池具有高比容量、高首效和优异的循环性能。具体地，本专利技术采用模板剂和造孔剂配合使用，以纳米氧化镁、纳米氧化锌、纳米碳酸钙、氯化钠、氯化钾和氯化钙中的至少一种为模板剂，以氢氧化钾或磷酸为造孔剂，可以有效调节硅碳复合材料的孔径、孔结构和比表面积，将硅碳材料用于锂离子电池可以调控锂离子和电子的传输通道，极大缓冲硅的体积变化，如膨胀或收缩，提高锂离子电池的比容量、首效和循环性能。
31、进一步地，本专利技术采用原位生成碳包覆层的方法制得的硅碳复合材料为碳包覆硅，该方法可以使硅在碳包覆中分散的更均匀，在制备过程中不易团聚，可以提高硅负载量，将该硅碳复合材料应用于电池时可以进一步提高电性能，如比容量、首效和循环性能等。此外，本专利技术方法还具有工艺简单、易放大和工业化生产。
32、2.本专利技术提供的硅碳复合材料的制备方法，模板剂为纳米氧化镁、纳米氧化锌、纳米碳酸钙、氯化钠、氯化钾和氯化钙中的至少两种，优选氯化钙和纳米氧化锌作为复配模板剂，有助于进一步提升硅碳材料的性能，防止硅出现体积变化较大的问题。
33、3.本专利技术提供的硅碳复合材料的制备方法，以含氮化合物作为原料，可以提高硅碳复合材料的导电性，从而提高其储锂电化学性能。
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1.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括将硅源、碳源、模板剂和造孔剂混合，烧结；
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模板剂为纳米氧化镁、纳米氧化锌、纳米碳酸钙、氯化钠、氯化钾和氯化钙中的至少两种；和/或，
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模板剂包括氯化钙和纳米氧化锌；
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述模板剂与所述造孔剂的质量比为(3-60)：(12-50)。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述混合步骤还包括加入杂原子前驱体的步骤；
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述硅源、碳源、模板剂的质量比为(5-50)：(2-40)：(3-60)；
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的具体步骤包括：以0.5-20℃/min的升温速率升温至350-1200℃后保温0.1-20h；
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述烧结之后还包括酸洗的步骤
9.权利要求1-8任一项所述制备方法制得的硅碳复合材料。
10.权利要求1-8任一项所述制备方法制得的硅碳复合材料在极片和/或锂离子电池中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括将硅源、碳源、模板剂和造孔剂混合，烧结；
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模板剂为纳米氧化镁、纳米氧化锌、纳米碳酸钙、氯化钠、氯化钾和氯化钙中的至少两种；和/或，
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述模板剂包括氯化钙和纳米氧化锌；
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述模板剂与所述造孔剂的质量比为(3-60)：(12-50)。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述混合步骤还包括加入杂原子前驱体的步骤；
【专利技术属性】
技术研发人员：吴克，佘小艳，鞠玉萍，张嘉俊，李可新，
申请(专利权)人：广东煤基碳材料研究有限公司，
类型：发明
国别省市：
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