【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及以一种复合硅碳材料及其制备方法、应用和锂离子电池。
技术介绍
1、随着过去市场对锂离子电池需求的快速发展，锂离子电池被认为是移动电子设备中最重要的电源，其能量密度每年增加7-10%。对重量减轻、寿命延长和提高容量的需求持续增加。然而，传统的石墨负极正接近其理论容量极限。在这方面，硅已被认为是下一代锂离子电池负极材料的可行替代方案，硅具有较高的理论比容量，为3589 mah/g。然而，较差的电导率，且充放电过程中通常会引起较大的体积膨胀（超300%），导致电极的粉化表现出较差的首次库伦效率、循环性能和倍率性能。
2、为了使用硅作为负极对抗体积膨胀，并控制固体电解质间相（sei）的反复形成以实现高首次效率，一些先进的纳米材料设计策略作为一种学术研究已经被证明。例如，硅与纳米碳质材料构建复合体系，从硅材料的纳米尺度的改变，到硅-碳纳米各类三维结构的构建，如核壳结构/蛋黄/石榴类结构构建，结果均表明了从三维角度出发对硅材料的改性效果最佳。
3、中国专利申请cn118398782介绍了一种sioc复合负极材料及其制备方法，所述材料包括通过硼酸辅助自组装的sioc复合材料，其表面包覆有一层聚合物。在连续锂化过程中，聚合物层会因为分子构型的改变而膨胀收缩，为内部sioc材料的体积膨胀提供了可控空间，从而提高首圈库伦效率和循环性能，但这种提升方式有限，所得锂离子电池无法兼顾优异的首次库伦效率、循环性能和倍率性能。
技术实现思路
1、为了解决现有的硅碳负极材料得
2、为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。
3、本专利技术提供了一种复合硅碳材料，其包括夹层结构，所述夹层结构包括依次包覆有硅层和石墨烯层的石墨烯纳米带。
4、本专利技术中，所述石墨烯纳米带是由石墨烯进一步开链得到的，为边缘部分六元碳环存在缺陷的石墨烯。
5、本专利技术中，所述石墨烯纳米带和所述硅层的质量比优选为（1-3）:1，例如为1.7：1。
6、本专利技术中，所述石墨烯层和所述硅层的质量比优选为1:（1-3），例如为1：2。
7、本专利技术中，所述石墨烯纳米带优选包括二维石墨烯纳米带和/或三维石墨烯纳米带，例如为三维石墨烯纳米带。
8、其中，所述三维石墨烯纳米带优选为功能化三维石墨烯；所述功能化三维石墨烯纳米带例如为烷基化三维石墨烯纳米带。
9、本专利技术中，所述复合硅碳材料的硅含量优选为25%-35%，更优选为28%-33%，例如为28.9%、29.6%、29.8%、30.4%、30.5%、31.8%、30.8%、32.4%或32.7%。
10、本专利技术中，所述复合硅碳材料的碳含量优选为60%-70%，更优选为63%-69%，例如为63.7%、63.8%、64.2%、64.9%、65.7%、66.5%、66.7%、67.2%或68.2%。
11、本专利技术中，所述复合硅碳材料的氧含量优选为2%-5%，更优选为2.3%-4.7%，例如为2.3%、2.5%、2.7%、3.1%、3.2%、3.9%、4.4%或4.7%。
12、本专利技术中，所述复合硅碳材料的dv50粒径优选为250-400 nm，更优选为288-352nm，例如为288 nm、298 nm、306 nm、312 nm、327 nm、330 nm、331 nm或352 nm。
13、本专利技术中，所述复合硅碳材料的电导率优选为（0.8-2.5）×103 s/m，更优选为（1.9-2.5）×103 s/m，例如为0.879×103 s/m、1.897×103 s/m、1.985×103 s/m、2.089×103 s/m、2.112×103 s/m、2.217×103 s/m、2.314×103 s/m、2.417×103 s/m或2.451×103s/m。
14、本专利技术中，所述复合硅碳材料的孔径优选为15-25 nm，更优选为18-22 nm，例如为18.7 nm、18.9 nm、19.3 nm、19.7 nm、20.8 nm、21.7 nm或21.8 nm。
15、本专利技术中，所述复合硅碳材料的电荷转移内阻优选为35-70 ω，更优选为35-50ω，进一步优选为38-46 ω，例如为38.9ω、39.7ω、41.2 ω、42.8ω、43.9ω、44.7ω、45.1ω或67.8ω。
16、本专利技术提供了一种复合硅碳材料的制备方法，其包括以下步骤：
17、s1、在石墨烯纳米带上沉积硅，得到硅碳前驱体；
18、s2、在所述硅碳前驱体上包覆石墨烯层。
19、步骤s1中，所述石墨烯纳米带优选包括三维石墨烯纳米带和/或二维石墨烯纳米带，例如为三维石墨烯纳米带。
20、其中，所述三维石墨烯纳米带的孔径优选为13.6-19.8nm，例如为16.8 nm。
21、其中，所述三维石墨烯纳米带的dv50粒径优选为150-280nm，例如为200 nm。
22、其中，所述三维石墨烯纳米带优选为功能化三维石墨烯纳米带，所述功能化三维石墨烯纳米带例如为烷基化三维石墨烯纳米带。
23、其中，所述三维石墨烯纳米带的制备方法优选包括以下步骤：
24、将碳纳米管、稳定剂和开链剂的混合料，经第一反应，得到反应物料；洗涤，干燥，即得；其中，所述碳纳米管包括多壁碳纳米管。
25、优选地，所述多壁碳纳米管的含量为50%以上，百分比为占所述碳纳米管的质量百分比。
26、优选地，所述碳纳米管还包括单壁碳纳米管。
27、优选地，所述稳定剂为1,2-二甲氧基乙烷。
28、优选地，所述开链剂为na/k合金。
29、优选地，所述得到反应物料后，还包括将反应物料加入功能化试剂进行第二反应的步骤；其中，所述功能化试剂优选为卤代烷烃；进一步优选地，所述卤代烷烃为碘代烷烃，例如为1-碘烷烃。
30、在一些更优选的实施方案中，所述1-碘烷烃中c原子数在5-16之间；所述1-碘烷烃例如为1-碘癸烷。
31、优选地，所述洗涤采用的试剂为甲醇、四氢呋喃、聚丙烯酸酯、水和乙醚中的一种或多种。
32、优选地，所述混合料的制备方法包括以下步骤：在多壁碳纳米管中加入稳定剂，再加入开链剂。
33、优选地，所述三维石墨烯纳米带的制备在手套箱中进行。
34、在一些优选实施方案中，所述干燥为冷冻干燥、co2超临界干燥或真空干燥。
35、其中，所述冷冻干燥的温度优选为零下30℃至零下80℃。
36、其中，所述冷冻干燥的时间优选为3-7h。
【技术保护点】
1.一种复合硅碳材料，其特征在于，其包括夹层结构，所述夹层结构包括依次包覆有硅层和石墨烯层的石墨烯纳米带。
2.如权利要求1所述的复合硅碳材料，其特征在于，所述夹层结构满足以下条件a-c中的一个或多个：
3.如权利要求1所述的复合硅碳材料，其特征在于，所述复合硅碳材料满足以下条件a-g中的一个或多个：
4.一种复合硅碳材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的复合硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯纳米带包括三维石墨烯纳米带和/或二维石墨烯纳米带，例如为三维石墨烯纳米带；
6.如权利要求4所述的复合硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述沉积硅的方法为原子层沉积法；所述原子层沉积法包括以下步骤：
7.如权利要求4所述的复合硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述在所述硅碳前驱体上包覆石墨烯层的方法包括以下步骤：
8.一种复合硅碳材料，其特征在于，其由如权利要求4-7中任一项所述的复合硅碳材料的制备方法制备得到。
9.一种如权利要求1-3和8中任一项所述的复合硅碳
10.一种锂离子电池，其特征在于，其包括如权利要求1-3和8中任一项所述的复合硅碳材料。
...【技术特征摘要】
1.一种复合硅碳材料，其特征在于，其包括夹层结构，所述夹层结构包括依次包覆有硅层和石墨烯层的石墨烯纳米带。
2.如权利要求1所述的复合硅碳材料，其特征在于，所述夹层结构满足以下条件a-c中的一个或多个：
3.如权利要求1所述的复合硅碳材料，其特征在于，所述复合硅碳材料满足以下条件a-g中的一个或多个：
4.一种复合硅碳材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的复合硅碳材料的制备方法，其特征在于，所述石墨烯纳米带包括三维石墨烯纳米带和/或二维石墨烯纳米带，例如为三维石墨烯纳米带；
【专利技术属性】
技术研发人员：杨广，顾凯，乔永民，王旭峰，胡钦山，何丽，
申请(专利权)人：宁波杉杉新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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