【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于锂离子电池，尤其涉及一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料及其制备方法。
技术介绍
1、随着现代科技的飞速发展，锂离子电池作为一种高效、便携的能源存储装置，在众多领域如电动汽车、便携式电子设备等有着广泛且关键的应用。当前，石墨是最为常用的锂离子电池负极材料之一，它具备诸多优点，例如良好的导电性、稳定的化学性质以及相对成熟的制备工艺，这使得它在锂离子电池商业化进程中占据重要地位。然而，石墨负极也存在着一个显著的短板，即其能量密度相对较低。在追求更高能量密度以满足如长续航电动汽车等领域需求的当下，这一局限性愈发凸显。单纯依靠石墨作为负极材料，已难以实现锂离子电池性能的突破性提升。
2、为了克服石墨负极能量密度低的问题，将硅基负极引入成为了研究热点。硅基材料从理论层面而言，拥有极高的比容量，相较于石墨具备大幅提升电池能量密度的潜力。鉴于石墨负极能量密度不足的问题，引入硅基负极材料成为当下研究的焦点方向。硅基负极拥有极高的比容量，相较于石墨具备大幅提升电池能量密度的潜力。
3、但如果直接简单地将硅基负极与石墨混合使用，会衍生出一系列棘手难题：
4、（1）从材料自身特性层面来看，硅在充放电过程中的体积膨胀现象极为显著。与石墨相比，硅原子半径相对较大，在锂离子嵌入和脱出时，硅晶格会发生剧烈的形变，其体积膨胀率可高达300%~400%。当直接与石墨混合，这种大幅度的体积变化会对电极整体结构造成严重破坏。一方面，会致使电极材料内部产生裂缝、孔隙增多，使得活性物质与集流体之间的接触变差，电子传导路径受阻
5、（2）在电化学性能差异方面，石墨和硅也存在本质区别。石墨具有相对平稳的充放电电位平台，锂离子在石墨层间的嵌入和脱出过程较为缓和，遵循相对稳定的扩散机制。而硅的充放电电位区间与石墨不同，且其电化学反应动力学过程更为复杂，锂离子嵌入脱出速率与石墨不一致。二者简单混合后，在充放电循环时，电极不同区域的电位分布不均匀，导致极化现象加剧。极化的产生使得电池在充电时需要更高的电压、放电时电压降低，造成能量的无效损耗，直接降低电池的充放电效率。
6、（3）从锂离子的传输过程来看，由于石墨和硅的微观结构迥异，锂离子在二者中的扩散系数相差较大。石墨具有规整的层状结构，利于锂离子在层间快速扩散；硅的晶体结构相对复杂，锂离子在其中的扩散阻力较大。混合后，在充放电期间，锂离子会优先选择扩散阻力小的石墨区域进行嵌入脱出，造成局部锂离子浓度过高，形成浓度梯度，引发锂离子串扰。锂离子串扰不仅打乱正常的充放电顺序，使电池的充放电曲线变形，还加速了电池容量的衰减。因为锂离子在非预期区域的聚集，可能会与电解液发生副反应，生成一些难以分解的锂盐沉积物，这些沉积物附着在电极表面，进一步阻碍锂离子传输，形成恶性循环，最终导致电池寿命大幅缩短。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料及其制备方法，旨在解决电池充放电容量和充放电效率降低以及电池寿命缩减的问题。
2、为解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的，本专利技术提出一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，步骤包括：
3、s1、将沥青包覆在石墨基材上，得到包覆石墨；
4、s2、通入碳源气体对所述包覆石墨进行化学气相沉积，在所述包覆石墨表面生成具有特定取向的石墨纳米桥联结构，得到改性石墨；
5、s3、制备硅碳基材并与所述改性石墨进行混合，得到复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料。
6、在本专利技术的一些实施例中，在步骤s1中，所述石墨基材包括天然石墨、一次颗粒石墨、二次颗粒石墨、针状焦石墨、石油焦石墨、生焦石墨、熟焦石墨中的至少一种，所述沥青包括β树脂，所述β树脂在所述沥青中的含量为10~80%。
7、在本专利技术的一些实施例中，步骤s1包括：
8、s1.1、将沥青在无水乙醇中超声分散15~60min，形成沥青乳化液；
9、s1.2、将所述沥青乳化液转移至恒温水浴锅，在温度控制在40~90℃条件下，将石墨基材加入所述沥青乳化液中，搅拌速度控制在300~500rpm，持续搅拌1~3小时直至无水乙醇完全挥发；
10、s1.3、搅拌完成后转移至真空烘箱中，在60~80℃温度下持续真空干燥12~24小时，得到包覆石墨。
11、在本专利技术的一些实施例中，步骤s1包括：
12、s1.1、将沥青预热至80~120℃，并保持搅拌30~90分钟，同时加入石墨烯或碳纳米管，得到流变状沥青；
13、s1.2、将流变状沥青与石墨基材在vc混料机中进行固相混合，设置vc混料机公转速度为30~150r/min，自转速度为50~200r/min，混合时间为0.5~5小时，混合过程中，间歇采用频率20~40khz的超声辅助分散，每次超声处理时间为10~20分钟，混合完成后得到包覆石墨。
14、在本专利技术的一些实施例中，按照重量百分比计算，在所述包覆石墨中，所述沥青占10~40wt%，所述石墨基材占60~90%。
15、在本专利技术的一些实施例中，步骤s2包括：
16、s2.1、将所述包覆石墨均匀地铺设于石英舟内，随后将石英舟放入管式炉的恒温区中，对管式炉进行抽真空处理，并通入惰性气体；
17、s2.2、以升温速率为0.5~5℃/min将温度升高至500~1400℃，保持温度并持续通入碳源气体进行化学气相沉积，调节环境压力至10~50pa，沉积时间控制在30~120分钟，生成与气流方向相同取向的石墨纳米桥联结构；
18、s2.3、沉积完成后，停止通入碳源气体，仅通入惰性气体，保温1~20小时，再以0.5~5℃/min的降温速率缓慢降温至100~800℃，再自然降温至室温，得到改性石墨。
19、在本专利技术的一些实施例中，在步骤s2中，所述惰性气体包括氮气、氩气、氢气中至少一种，所述惰性气体的流速为1~20l/min，所述碳源气体包括体积比为2:1的乙烯和氢气、体积比为4:1的甲烷和氢气、体积比为1:1的乙炔和氢气中的至少一种。
20、在本专利技术的一些实施例中，步骤s3包括：
21、s3.1、将多孔炭前驱体与硅源材料混合，在惰性气体的保护下以2~5℃/min升温至400~700℃，保温2~4小时，得到硅碳基材；
22、s3.2、将所述硅碳基材与所述改性石墨按特定质量比在vc混料机中混合，设置vc混料机公转速度20~120r/min，自转速度40~180r/min，混合0.5-~4小时，得到复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料。
23、在本专利技术的一些实施例中，在步骤s3中，所述多孔炭前驱体包括生物质炭、沥青炭、树脂炭中的至少一种，所述硅源材料包括硅酸钠、四乙氧基硅烷、纳米硅粉中的至少一种，按照质量比计算，所述多孔炭前驱体：所述硅源=（2~5）本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：
2.根据权利要求1所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述石墨基材包括天然石墨、一次颗粒石墨、二次颗粒石墨、针状焦石墨、石油焦石墨、生焦石墨、熟焦石墨中的至少一种，所述沥青包括β树脂，所述β树脂在所述沥青中的含量为10~80%。
3.根据权利要求1所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤S1包括：
4.根据权利要求1所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤S1包括：
5.根据权利要求3或4所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，按照重量百分比计算，在所述包覆石墨中，所述沥青占10~40wt%，所述石墨基材占60~90%。
6.根据权利要求1所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤S2包括：
7.根据权利要求6所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述惰性气体包括氮
8.根据权利要求1所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤S3包括：
9.根据权利要求8所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述多孔炭前驱体包括生物质炭、沥青炭、树脂炭中的至少一种，所述硅源材料包括硅酸钠、四乙氧基硅烷、纳米硅粉中的至少一种，按照质量比计算，所述多孔炭前驱体：所述硅源=（2~5）:1，所述硅碳基材包括内部孔隙和位于所述内部孔隙的纳米硅颗粒，所述纳米硅颗粒的尺寸为0.1~50nm，所述内部孔隙的尺寸为0.1~100nm。
10.一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料，其特征在于，通过如权利要求1-9任一项所述的复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法制成，所述复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料包括沥青、石墨基材、石墨纳米桥联结构、硅碳基材；其中，
...【技术特征摘要】
1.一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：
2.根据权利要求1所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，在步骤s1中，所述石墨基材包括天然石墨、一次颗粒石墨、二次颗粒石墨、针状焦石墨、石油焦石墨、生焦石墨、熟焦石墨中的至少一种，所述沥青包括β树脂，所述β树脂在所述沥青中的含量为10~80%。
3.根据权利要求1所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤s1包括：
4.根据权利要求1所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤s1包括：
5.根据权利要求3或4所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，按照重量百分比计算，在所述包覆石墨中，所述沥青占10~40wt%，所述石墨基材占60~90%。
6.根据权利要求1所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，步骤s2包括：
7.根据权利要求6所述的一种复合碳层包覆石墨匹配硅碳材料的制备方法，其特征在于，在步...
【专利技术属性】
技术研发人员：聂雪伊，慈立杰，吉凤君，王预，李德平，秦圆，
申请(专利权)人：深圳索理德新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。