硅基复合材料、制备方法及包含该复合材料的锂离子电池与流程

文档序号:11837510阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种硅基复合材料,其特征在于,所述硅基复合材料包括碳基质,以及均匀分散在所述碳基质中的碳包覆枝状纳米硅;其中,所述碳包覆枝状纳米硅包括枝状纳米硅以及包覆在所述枝状纳米硅表面的包覆碳层。

2.根据权利要求1所述的硅基复合材料,其特征在于,所述硅基复合材料的中值粒径为1~45μm,优选为2~35μm,进一步优选为3~20μm;

优选地,所述硅基复合材料的比表面积为1~50m2/g,优选为2~10m2/g;

优选地,所述硅基复合材料的粉体压实密度为0.3~2.5g/cm3,优选为1~2g/cm3

优选地,以所述硅基复合材料的总质量为100%计,所述硅基复合材料中,所述碳基质的质量百分比为20~60wt%;

优选地,以所述硅基复合材料的总质量为100%计,所述硅基复合材料中,所述枝状纳米硅的质量百分比为5~80wt%;

优选地,以所述硅基复合材料的总质量为100%计,所述硅基复合材料中,所述包覆碳层的质量百分比为1~50wt%。

3.根据权利要求1或2所述的硅基复合材料,其特征在于,所述枝状纳米硅由纳米棒组成,且纳米棒相互连接成枝状;

优选地,所述枝状纳米硅的平均粒径为1~50nm;

优选地,所述枝状纳米硅的比表面积为10~500m2/g;

优选地,所述包覆碳层的厚度为5~500nm。

4.如权利要求1-3任一项所述的硅基复合材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:

(1)将硅的氧化物、添加剂和还原剂均相混合,进行热处理,然后对热处理产物进行水洗和酸处理,得到枝状纳米硅;

(2)对步骤(1)中的枝状纳米硅进行均相原位碳包覆,得到碳包覆枝状纳米硅;

(3)将步骤(2)得到的碳包覆枝状纳米硅与碳源均相混合,融合处理,得到融合前驱体材料;

(4)对步骤(3)得到的融合前驱体材料进行热处理,得到硅基复合材料。

5.根据权利要求4所述的硅基复合材料的制备方法,其特征在于,所述方法还包括在步骤(4)热处理完成后,对热处理产物进行粉碎、筛分和除磁的步骤。

6.根据权利要求4或5所述的硅基复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述硅的氧化物的化学组成为:SiOx,其中,X≤2;

优选地,步骤(1)所述硅的氧化物的中值粒径为1~100nm;

优选地,步骤(1)所述还原剂包括钾、钙、钠、镁、铝、锌、铁、铜、镍、铬、金或银中的任意一种或至少两种的组合;

优选地,步骤(1)所述还原剂的中值粒径为0.5-50μm,优选为20μm;

优选地,步骤(1)所述硅的氧化物和所述还原剂的质量比为1:(0.5-1.5),优选为1:1;

优选地,步骤(1)所述添加剂包括氯化钾、碳酸钾、硝酸钾、硫酸钾、氯化钠、碳酸钠、硝酸钠或硫酸钠的任意一种或至少两种的组合;

优选地,步骤(1)所述均相混合采用的方法包括干法混合方法和湿法混合方法,优选为干法混合方法;

优选地,所述干法混合方法为干法球磨法或置于VC混合机中进行混合的方法;

优选地,所述干法球磨法中采用的球磨机优选为行星式球磨机、高速搅拌 磨、管磨机、锥磨机、棒磨机和砂磨机中的任意一种;

优选地,所述置于VC混合机中进行混合的方法为:将步骤(1)的硅的氧化物、添加剂和还原剂混合,置于VC混合机中,进行混合,得到均相混合物;

优选地,所述置于VC混合机中进行混合的方法中,混合时,VC混合机的频率为10~50HZ,优选为20HZ;

优选地,所述置于VC混合机中进行混合的方法中,混合的时间为0.5~3h,优选为1h;

优选地,步骤(1)所述热处理在密闭容器和非氧化性气氛中进行;

优选地,所述非氧化性气氛为氮气气氛、氢气气氛、氦气气氛、氩气气氛或氖气气氛中的任意一种或至少两种的组合;

优选地,步骤(1)所述热处理的温度为600~900℃,优选为650℃;

优选地,步骤(1)所述热处理的时间为0.5~3h,优选为3h;

优选地,步骤(1)所述酸处理为:将热处理产物分散于酸中,进行处理;

优选地,步骤(1)所述酸处理过程中,所述处理为浸泡,或者浸泡并伴有搅拌;

优选地,步骤(1)所述酸处理过程中,所述处理的时间为1~8h,优选为1~4h;

优选地,步骤(1)所述酸处理过程中,所述的酸选自盐酸、硝酸、亚硝酸、硫酸、亚硫酸、碳酸、硼酸、磷酸、氢氟酸、氢氰酸、高氯酸、醋酸、苯甲酸或硒酸中的任意一种或至少两种的组合;

优选地,步骤(1)所述酸处理过程中,所述的酸的浓度为0.1~10mol/L;

优选地,步骤(1)所述枝状纳米硅的制备方法还包括在步骤(1)酸处理完成后进行离心、抽滤和干燥的步骤。

7.根据权利要求4-6任一项所述的方法,其特征在于,步骤(2)所述均相原位碳包覆采用的方法为气相包覆法、液相包覆法或固相包覆法中的任意一种,优选为气相包覆法;

优选地,采用气相包覆法对枝状纳米硅进行均相原位碳包覆,得到碳包覆枝状纳米硅,具体过程为:向装有枝状纳米硅的反应炉中,通入气相碳源,在反应炉旋转的条件下进行沉积包覆,实现包覆碳层在枝状纳米硅表面的包覆,得到碳包覆枝状纳米硅;

优选地,采用气相包覆法对枝状纳米硅进行均相原位碳包覆的过程中,所述气相碳源为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔、丙烯、气态的苯、气态的甲苯、气态的二甲苯、气态的乙醇或气态的丙酮中的任意一种或至少两种的组合,优选为甲烷、乙炔和丙烯的组合;

优选地,采用气相包覆法对枝状纳米硅进行均相原位碳包覆的过程中,所述气相碳源的通入流量为0.1~2.0L/min,优选为0.3L/min;

优选地,采用气相包覆法对枝状纳米硅进行均相原位碳包覆的过程中,所述反应炉的旋转速度为0.2~10rpm;

优选地,采用气相包覆法对枝状纳米硅进行均相原位碳包覆的过程中,所述沉积包覆的温度为600~1200℃,优选为700~1000℃;

优选地,采用气相包覆法对枝状纳米硅进行均相原位碳包覆的过程中,所述沉积包覆的时间为0.5~5h,优选为3h。

8.根据权利要求4-7任一项所述的方法,其特征在于,步骤(3)所述融合处理包括:将步骤(2)得到的碳包覆枝状纳米硅与碳源加入至融合机中,进行融合,得到融合前驱体材料;

优选地,步骤(3)所述碳包覆枝状纳米硅与碳源的质量比为80:(20~80);

优选地,所述融合处理的过程中,融合机的转速为500~3000rpm,优选为800~2000rpm;

优选地,所述融合处理的过程中,融合机的刀具间隙宽度为0.01~1cm,优选为0.1~0.3cm;

优选地,所述融合处理的过程中,融合的时间至少为0.25h,优选为0.25~8h,进一步优选为0.5~4h;

优选地,步骤(3)所述碳源为煤沥青、石油沥青、中间相沥青、煤焦油、石油工业重质油、重质芳香烃、环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、脲醛树脂、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚乙二醇、聚环氧乙烷、聚偏氟乙烯、丙烯酸树脂或聚丙烯腈中的任意一种或至少两种的组合;

优选地,步骤(3)所述碳源的粒径为0.5~5μm,优选为2μm;

优选地,步骤(4)所述热处理过程中通有保护气,所述保护气为氮气、氦气、氖气、氩气或氪气中的任意一种或至少两种的组合;

优选地,步骤(4)所述热处理的温度为700~1200℃,优选为1000℃;

优选地,步骤(4)所述热处理的时间为2~6h,优选为4h。

9.一种负极材料,其特征在于,所述负极材料为权利要求1-3任一项所述的硅基复合材料。

10.一种锂离子电池,其特征在于,所述锂离子电池包含如权利要求1-3任一项所述的硅基复合材料作为锂离子电池的负极材料。

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