【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及锂离子电池，尤其涉及一种硅碳复合材料及其制备方法与应用。
技术介绍
1、锂离子电池因其使用寿命长、比容量高以及环境友好等优点，已成为备受关注的储能系统之一，广泛应用于小型电子设备、航空航天等领域。商业化的锂离子电池通常使用层状过渡金属氧化物作为正极，使用石墨作为负极。虽然目前石墨负极的比容量已经可以接近理论值，但随着新能源汽车等电动代步工具的迅猛发展，传统锂离子电池的功率、能量密度逐渐无法满足消费者的需求。晶体硅是一种有潜力的负极材料，其在室温下可以提供高达3579ma h g-1的理论嵌锂容量，远高于目前应用最为广泛的石墨(372ma h g-1)。此外，硅还具有储量高、环境友好、生产成本低等优点。然而，硅负极存在一个严重的问题：当锂离子完全嵌入硅基体后，硅基体会发生严重的体积膨胀(>300％)，在多次充放电后会导致硅负极粉化，进而导致硅与集流体失去电接触，电池容量迅速衰减。同时，硅负极在循环过程中所产生的体积效应会导致sei膜反复破裂和再生，进而导致电池的库仑效率降低、离子传输电阻增大。
2、因此，为了实现硅负极的商业化应用，解决其体积效应是首要问题。研究人员发现，为解决硅基负极所面临的膨胀及失效等问题，学术界和产业界开发了多种硅基负极改性方式，主要包括硅氧化、纳米化、复合化、多孔化、合金化、预锂化、预镁化等等，在大类上主要分为硅氧类和硅碳类。在细分的技术路线中，目前有三条路线已经得到产业化应用，第一条是研磨法纳米硅碳路线，第二条是硅氧路线(一代硅氧和预锂化硅氧)，第三条是cvd气相沉积硅碳路
技术实现思路
1、本专利技术为解决cvd气相沉积硅碳生产设备要求高、原料储存运输难、沉积工艺复杂等问题，提供一种成本低廉、制备工艺简单、适用于量化生产硅碳复合材料的制备方法及其在锂离子电池中的应用。本专利技术的硅碳复合材料具有优异的电化学性能。
2、为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
3、本专利技术提出的一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
4、s1、将酚醛树脂溶液、硅酸溶液、非离子乳化剂进行均质处理，得到初级乳液；
5、s2、将初级乳液进行固化处理得到固化颗粒，将固化颗粒进行碳化处理，得到碳化后颗粒；
6、s3、将碳化后颗粒通过镁热还原反应，洗涤得到硅碳复合材料。
7、本专利技术首先采用特定的乳化和固化工艺，制备出酚醛树脂包裹硅酸乳液，实现硅酸微粒在酚醛树脂基质中的均匀分散和稳定封装；随后，该乳液经过碳化处理，将酚醛树脂转化为稳定的碳包覆层；最后，通过镁热还原工艺，将包覆在碳层内的二氧化硅还原为纳米硅颗粒；得到的碳包覆纳米硅材料即硅碳复合材料具有优异的电化学性能和循环稳定性，是一种理想的锂离子电池负极材料。本专利技术的制备方法简单、高效，可大规模生产，且产品性能可通过调控乳化、固化、碳化和还原条件等参数进行优化，满足不同类型锂离子电池的需求。
8、优选地，所述的s1中，硅酸溶液的制备包括将二水合硅酸钠溶解在去离子水中，调节ph至9-10，即得。
9、优选地，所述的s1中，硅酸溶液的质量分数为5-15％。
10、硅酸溶液的质量分数在一定范围内有助于制备得到的硅碳复合材料具有较高的比容量、循环稳定性和倍率性能。
11、优选地，所述的s1中，酚醛树脂溶液的制备包括将甲醛和苯酚按照摩尔比为(1-1.4)：1在碱性催化剂的作用下，于60-70℃反应2-3h，即得。
12、优选地，所述的s1中，非离子乳化剂选自工业常用的聚氧乙烯醇、聚氧乙烯酯中的一种或多种。
13、非离子乳化剂可以将硅酸和酚醛树脂溶液两种互不相溶的物质均匀地分散在一起。其次非离子型乳化剂具有较好的稳定性，可以在一定条件下长时间保持乳状状态。
14、优选地，所述的s1中，均质处理包括在高剪切条件下处理5-10min。
15、均质处理实现硅酸微粒在酚醛树脂基质中的均匀分散和稳定封装，由此制备出的硅碳复合材料在循环过程中碳层能有效抑制硅颗粒膨胀。
16、优选地，所述的s1中，酚醛树脂、二水合硅酸钠、非离子乳化剂的质量比为8：13：(0～0.4)。
17、优选地，所述的s2中，固化处理包括调节初级乳液的ph，并进行加热至t1。
18、更优选地，所述的ph调节至3-6。
19、通过调节ph至酸性，加热固化处理使初级乳液中的酚醛树脂交联固化，得到固化的酚醛树脂包裹硅酸颗粒的结构，作为硅碳复合材料的前驱体。
20、更优选地，所述的t1温度为80-120℃。
21、优选地，所述的s2中，碳化处理包括将固化颗粒在惰性气体中加热保温。
22、通过碳化处理将酚醛树脂转化为稳定的碳包覆层并将硅酸分解成二氧化硅和水，得到的碳化后颗粒即碳包覆二氧化硅。
23、更优选地，所述的惰性气体包括氮气、氩气中的一种或多种。
24、更优选地，所述的加热保温包括在500-1000℃条件下保温1-5h。
25、优选地，所述的s3中，镁热还原反应包括将碳化后颗粒与镁粉混合，加热保温。
26、镁热还原反应将包覆在碳层内的二氧化硅还原为纳米硅颗粒，体积缩小，硅颗粒与碳壳形成均匀的蛋黄结构。
27、更优选地，所述的镁粉的质量是硅酸质量的2-3倍。
28、更优选地，所述的加热保温包括在500-800℃条件下保温1-3h。
29、通过控制加热保温的温度和时间有助于制备得到的硅碳复合材料具有较高的比容量、循环稳定性和倍率性能。
30、优选地，所述的s3中，洗涤为酸洗，所述的酸洗的酸溶液为1mol/l的盐酸溶液。
31、本专利技术还提出一种由上述制备方法制备得到的硅碳复合材料。
32、一种上述硅碳复合材料或者由上述制备方法制备得到的硅碳复合材料在锂离子电池中的应用。
33、本专利技术的有益效果在于：
34、本专利技术以酚醛树脂作为碳源，硅酸钠作为硅源，采用乳液法将硅源与碳源均匀复合，通过固化、碳化、还原，得到硅碳复合材料，直径为2-5μm。本专利技术所用原材料价格低廉，制备工艺简单、易操作，适用于量化生产硅碳复合材料。
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1.一种硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的S1中，硅酸溶液的质量分数为5-15％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的S1中，均质处理包括在高剪切条件下处理5-10min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的S2中，固化处理包括调节初级乳液的pH，并进行加热至T1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的S2中，碳化处理包括将固化颗粒在惰性气体中加热保温。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的S3中，镁热还原反应包括将碳化后颗粒与镁粉混合，加热保温。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的加热保温包括在500-800℃条件下保温1-3h。
8.一种硅碳复合材料，其特征在于，由权利要求1-7任一项所述的制备方法制备得到。
9.一种权利要求8所述的硅碳复合材料或者由权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的硅碳复合材料在锂离子电池中的应用。p>...
【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，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的s1中，硅酸溶液的质量分数为5-15％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的s1中，均质处理包括在高剪切条件下处理5-10min。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的s2中，固化处理包括调节初级乳液的ph，并进行加热至t1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的s2中，碳化处理包括将...
【专利技术属性】
技术研发人员：洪峰，叶梦翔，吴同，鲍付杰，刘俊杰，丁婉鑫，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：
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