一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料及其制备方法和用图
【专利摘要】本发明公开了一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料，包括内层、中间层和外层三层结构，内层为SiOx基体，中间层为碳包覆层，外层为石墨，SiOx基体是在晶体结构特征上具有与SiO或是Si与SiOx的复合物相一致的特征，x的取值范围为大于0且小于2，SiOx基体为粉末状结构，SiOx基体平均粒径为2.0?5.0微米，SiOx基体通过Si和SiO2高温反应、升华、冷凝技术细节制备而成的。本发明最明显的特征是在高温裂解包碳过程中，加入的聚乙烯粉会分解形成小气孔，同时分解的产物和通入的碳源气体均可以裂解形成碳包覆层，增加了碳包覆的效率和厚度，该方法所获得的活性材料颗粒尺寸可控、导电性好、结构稳定，硅氧碳复合材料用做锂离子电池负极时，表现出高的可逆容量和优异的循环稳定性。
【专利说明】
一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料及其制备方法和用途
技术领域
[0001]本发明属于电极材料制备/储能器件领域，具体涉及一种基于氧化娃的娃氧碳复合材料及其制备方法和用途。
【背景技术】
[0002]目前商业化应用的锂离子二次电池，负极材料基本都是基于石墨碳的负极材料，经过多年发展，其比容量已接近理论值(372mAh/g)，无法满足目前对于高能量密度锂离子电池日益增长的需求。同时，因为石墨的嵌锂电位与金属锂的沉积电位比较接近，在充电过程特别是低温充电或快速充电的过程中，金属锂容易析出，从而影响锂离子电池的安全性。此外，石墨类材料作为层状结构的负极材料，在含有碳酸丙烯酯等的低温电解液中容易被剥离导致容量衰减。硅(Si)作为新型储锂材料，能与锂形成Li^SihLiYSi^Li^Si^LiBSii和Li22Si5等合金，由Li22Si5计算的理论储锂容量高达4212mAh/g，超过了石墨类材料比容量的10倍。硅的嵌锂平台比石墨略高，跟石墨相比，不容易引起表面锂沉积，因而安全性能更高。硅基负极材料还具有与电解液反应活性低和嵌锂电位低等特点，同时硅元素在地壳中丰度仅次于氧，没有毒性，是一种很好的碳负极替代材料。
[0003]虽然硅材料能解决目前商业化碳负极材料的诸多问题，但是也面临两个严重的问题:第一，硅作为半导体材料，电导率较低，导致锂离子脱嵌过程中不可逆程度较大，首次库伦效率较低;第二，硅在锂离子嵌入和脱嵌的过程中体积变化可达400%(Li22Si5)，从而导致电极结构遭到破坏，难以形成稳定的SEI(固体电解质界面)膜，极片出现粉化脱落，进而严重影响制备的电池循环性能。娃氧基材料在首次嵌锂过程中会反应生成Li20和Li4Si04基质，可以缓冲硅材料在脱嵌锂过程中的体积变化，因而与硅材料相比循环性能更好，将S1x材料与碳进行复合形成娃氧碳材料，可以进一步提高电池的循环性能，这是因为在S1x材料表面包覆一层碳，不仅可以缓冲材料脱嵌锂过程中的体积变化，而且可以增加材料的导电性。
[0004]目前，针对制备出的S1电极材料碳包覆已进行了大量研究，并形成了一系列的专利，专利CN 103872303A所述。但这些碳包覆方法存在包碳不够均匀，效率低下，可控性差等缺点，而且制备的S1-C材料虽然循环性能较S1材料有一定的提升，但还不能满足商业化的需求。
[0005]在众多的硅基材料碳复合方法中，热气相沉积能够在表面均匀地包覆一层碳，并可以调控碳的结晶度;机械球磨操作简单，并可以方便调控产物的粒径。本发明专利将聚乙烯粉与制备的S1x材料球磨复合后，再进行高温化学气相沉积包碳时，聚乙烯可以分解为气相碳源，形成气孔，并与通入的乙烯碳源共同裂解包碳，提高了包碳的效率和厚度。制备的S1x-C样品具有较高的可逆容量和较好的循环性能。最后，将制备的样品与石墨球磨，进一步提升材料的循环性能，使之满足商业化的需求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于针对现有技术的不足，现提供一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料及其制备方法和用途。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料，其创新点在于:包括内层、中间层和外层三层结构，所述内层为S1x基体，所述中间层为碳包覆层，所述外层为石墨，所述S1x基体是在晶体结构特征上具有与S1或是Si与S1x的复合物相一致的特征，所述X的取值范围为大于O且小于2，所述S1x基体为粉末状结构，所述S1x基体平均粒径为2.0-5.0微米，所述S1x基体通过Si和S12高温反应、升华、冷凝技术细节制备而成的。
[0008]进一步的，所述中间碳包覆层可以是石墨化碳，也可以是无定形碳材料;所述中间碳包覆层厚度为50-300纳米。
[0009]进一步的，所述外层石墨可以是任何形式的石墨，粒径为14-20微米。
[0010]本发明的另一个目的是公开一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料的制备方法，其创新点在于:所述步骤具体如下:
(1)将Si与S12按比例混合，高温反应凝结得到S1x材料；
(2)将S1x材料与聚乙烯粉混合球磨，然后采用化学气相沉积包碳得到S1x-C材料；
(3)将S1x-C材料与石墨高能球磨得到最终硅氧碳复合材料。
[0011]进一步的，所述步骤(I)中的Si与S12混合时的摩尔比为所述反应温度为1300-1400 0C，所述反应时间为15-20小时。
[0012]进一步的，所述步骤(2)中的聚乙烯粉的质量分数为1%_3%，所述化学气相沉积包碳的碳源为乙烯和氩气混合气体，所述乙烯体积分数为0.3%-1%，所述球磨转速为300-500rpm，所述时间4_8h，所述包碳温度为850-950 V，所述包碳时间为I_2小时。
[0013]进一步的，所述步骤(3)中的石墨平均粒径为14-20微米，所述高能球磨转速为500-800rpm，所述时间为 4_8h。
[0014]本发明的另一个目的是公开一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料的用途，其创新点在于:可以用做锂离子电池高容量负极，以及采用负极制备而成的锂电池。
[0015]本发明的有益效果如下:
(I)本发明以S1x和聚乙烯球磨后为基体，采用流化床或旋转炉进行化学气相沉积包碳，利用聚乙烯在高温可以分解为气相碳源，形成气孔，并与通入的乙烯碳源共同裂解包碳，增加碳包覆的效率和厚度；同时高温下S1x发送歧化反应得到S12包裹的纳米Si，与包覆的碳层一起缓冲Si脱嵌锂过程中的体积变化，从而提升材料的循环性能，最后将碳包覆后的材料S1x-C与石墨进行高能球磨，进一步增加材料的导电性，提升最终电池的循环性會K。
[0016](2)本发明最明显的特征是在高温裂解包碳过程中，加入的聚乙烯粉会分解形成小气孔，同时分解的产物和通入的碳源气体均可以裂解形成碳包覆层，增加了碳包覆的效率和厚度，该方法所获得的活性材料颗粒尺寸可控、导电性好、结构稳定，基于氧化硅的硅氧碳复合材料用做锂离子电池负极时，表现出高的可逆容量和优异的循环稳定性。
【附图说明】
[0017]图1为实施例3的S1x基体碳包覆前后的X射线衍射图； 图2为实施例3的S1x-C材料的透射电镜图；
图3为实施例3的硅氧碳材料的扫描电镜图；
图4为实施例3的硅氧碳材料作为负极时的扣式电池充放电曲线；
图5为实施例3的娃氧碳材料作为负极时全电池循环性能。
【具体实施方式】
[0018]以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
[0019]一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料，包括内层、中间层和外层三层结构，内层为S1x基体，中间层为碳包覆层，外层为石墨，S1x基体是在晶体结构特征上具有与S1或是Si与S1x的复合物相一致的特征，X的取值范围为大于O且小于2，S1x基体为粉末状结构，S1x基体平均粒径为2.0-5.0微米，S1x基体通过Si和S12高温反应、升华、冷凝技术细节制备而成的；中间碳包覆层可以是石墨化碳，也可以是无定形碳材料;所述中间碳包覆层厚度为50-300纳米;外层石墨可以是任何形式的石墨，粒径为14-20微米。
[0020]实施例1
S1x基体制备:Si粉S12粉按摩尔比1:1球磨混合，并压制成块，然后将块体在真空中1300°C下反应15h，得到S1x的结块;将得到的结块进行破碎球磨，异丙醇作为溶剂，玛瑙球磨罐容积50mL，玛瑙球和S1x样品的质量比为7:3，以500rpm的转速球磨8h，并烘干，然后加入质量分数1%的聚乙烯粉，以同样的方法球磨得到S1x粉末。
[0021 ] S1x-C材料制备:采用旋转炉进行热气相沉积包碳，碳源为乙烯和氩气混合气体，取一定量制备的S1x样品放置在旋转炉的石英管正中心，石英管倾斜角度为5°，旋转速度为lOrpm。通入氩气排空管内的空气，然后通入乙烯，流速为0.1L/min，乙烯和氩气的流速比为1:300，然后管式炉以5。(:/1^11的速率升温至900°(:保持111，然后停止通入乙烯并自然降温至室温，收集产物便得到S1x-C样品。
[0022]硅氧碳材料制备:将制备的平均粒径为5.7μπι的S1x-C和平均粒径为16.6μπι的石墨在手套箱按比例加入玛瑙球磨罐中进行封罐，球料比为7:3，根据最终产物所需比容量来调配S1x-C和石墨加入的比例，然后采用行星式球磨机在500rpm的转速下球磨8h，得到最终的硅氧碳样品。
[0023]负极片制备:电极片通过搅拌制备浆料然后采用自动涂膜烘干机涂覆在铜箔上而成，浆料溶剂为去离子水，导电剂为Super-p，粘结剂为羧甲基纤维素加丁苯橡胶乳液，活性物质、导电剂和粘结剂比例为8:1:1。
[0024]电池制备:扣式半电池采用锂片作为对电极，在手套箱中按照正极壳、电极片、隔膜、锂片、不锈钢垫片、泡沫镍和负极壳的顺序组装CR2025扣式电池，电解液采用lmol/L的LiPF6作为电解质，溶剂为1:1:1的EC/EMC/DMC，添加10%FEC，全电池采用18650圆柱电池，正极片为111型NCM三元正极，隔膜电解液与扣式电池的相同。
[0025]电池测试:采用蓝电测试扣式电池的充放电曲线，0.1C倍率充放电，截止电压
0.005V。采用充放电测试柜测试18650电池的循环容量保持率，0.5C倍率充放电，截止电压2.75V。
[0026]实施例2 S1x基体制备:Si粉S12粉按摩尔比1.05:1球磨混合，并压制成块，然后将块体在真空中，1400°C下反应20h，得到S1x的结块，将得到的结块进行破碎球磨，异丙醇作为溶剂，玛瑙球磨罐容积50mL，玛瑙球和S1x样品的质量比为7:3，以500rpm的转速球磨8h，并烘干，然后加入质量分数5%的聚乙烯粉，以同样的方法球磨得到S1x粉末。
[0027]S1x-C材料制备:采用旋转炉进行热气相沉积包碳，碳源为乙烯和氩气混合气体。取一定量制备的S1x样品放置在旋转炉的石英管正中心，石英管倾斜角度为5°，旋转速度为lOrpm，通入氩气排空管内的空气，然后通入乙烯，流速为0.1L/min，乙烯和氩气的流速比为1:300，然后管式炉以5。(:/1^11的速率升温至900°(:保持111，然后停止通入乙烯并自然降温至室温，收集产物便得到S1x-C样品。
[0028]硅氧碳材料制备:将制备的平均粒径为5.7μπι的S1x-C和平均粒径为16.6μπι的石墨在手套箱按比例加入玛瑙球磨罐中进行封罐，球料比为7:3，根据最终产物所需比容量来调配S1x-C和石墨加入的比例，然后采用行星式球磨机在SOOrpm的转速下球磨4h，得到最终的硅氧碳样品。
[0029]负极片制备:电极片通过搅拌制备浆料然后采用自动涂膜烘干机涂覆在铜箔上而成，浆料溶剂为去离子水，导电剂为Super-p，粘结剂为羧甲基纤维素加丁苯橡胶乳液，活性物质、导电剂和粘结剂比例为8:1:1。
[0030]电池制备:扣式半电池采用锂片作为对电极，在手套箱中按照正极壳、电极片、隔膜、锂片、不锈钢垫片、泡沫镍和负极壳的顺序组装CR2025扣式电池，电解液采用lmol/L的LiPF6作为电解质，溶剂为1:1:1的EC/EMC/DMC，添加10%FEC。全电池采用18650圆柱电池，正极片为111型NCM三元正极，隔膜电解液与扣式电池的相同。
[0031 ]电池测试:采用蓝电测试扣式电池的充放电曲线，0.1C倍率充放电，截止电压
1.5V，采用充放电测试柜测试18650电池的循环容量保持率，0.5C倍率充放电，截止电压4.3Vo
[0032]实施例3
S1x基体制备:Si粉S12粉按摩尔比1.05:1球磨混合，并压制成块，然后将块体在真空中1350° C下反应15h，得到S1x的结块。将得到的结块进行破碎球磨，异丙醇作为溶剂，玛瑙球磨罐容积50mL，玛瑙球和S1x样品的质量比为7:3，以500rpm的转速球磨8h，并烘干，然后加入质量分数5%的聚乙烯粉，以同样的方法球磨得到S1x粉末。
[0033]S1x-C材料制备:采用旋转炉进行热气相沉积包碳，碳源为乙烯和氩气混合气体。取一定量制备的S1x样品放置在旋转炉的石英管正中心，石英管倾斜角度为5°，旋转速度为lOrpm，通入氩气排空管内的空气，然后通入乙烯，流速为0.1L/min，乙烯和氩气的流速比为1:300，然后管式炉以5。(:/1^11的速率升温至900°(:保持111，然后停止通入乙烯并自然降温至室温，收集产物便得到S1x-C样品。
[0034]硅氧碳材料制备:将制备的平均粒径为5.7μπι的S1x-C和平均粒径为16.6μπι石墨在手套箱按比例加入玛瑙球磨罐中进行封罐，球料比为7:3，根据最终产物所需比容量来调配S1x-C和石墨加入的比例，然后采用行星式球磨机在600rpm的转速下球磨6h，得到最终的硅氧碳样品。
[0035]负极片制备:电极片通过搅拌制备浆料然后采用自动涂膜烘干机涂覆在铜箔上而成，浆料溶剂为去离子水，导电剂为Super-p，粘结剂为羧甲基纤维素加丁苯橡胶乳液，活性物质、导电剂和粘结剂比例为8:1:1。
[0036]电池制备:扣式半电池采用锂片作为对电极，在手套箱中按照正极壳、电极片、隔膜、锂片、不锈钢垫片、泡沫镍和负极壳的顺序组装CR2025扣式电池，电解液采用lmol/L的LiPF6作为电解质，溶剂为1:1:1的EC/EMC/DMC，添加10%FEC。全电池采用18650圆柱电池，正极片为111型NCM三元正极，隔膜电解液与扣式电池的相同。
[0037]电池测试:采用蓝电测试扣式电池的充放电曲线，0.1C倍率充放电，截止电压
0.005?1.5V。采用充放电测试柜测试18650电池的循环容量保持率，0.5C倍率充放电，截止电压 2.75V?4.3V。
[0038]测试S1x基体包碳前后的X射线衍射，结果如图1所示，可以看到在CVD包碳前S1x基体主要的物相为非晶的S1x，而CVD包碳后得到得到的S1x-C样品为Si与S1x的复合物相，其中0〈x〈2。将包碳后的S1x-C样品进行透射电镜测试，结果如图2所示，可以看到S1x基体内部和周围均包覆了一层碳，碳层厚度为200纳米左右，这是因为加入的聚乙烯粉在包碳过程中分解形成小气孔，同时分解的产物和通入的碳源气体均可以裂解形成碳包覆层，增加了碳包覆的效率和厚度。最后将包碳后的S1x-C材料与石墨进行高能球磨，得到的硅氧碳样品扫描电镜测试结果如图3所示，可以看到粒径小的S1x-C材料与粒径大的石墨均匀复合在一起。
[0039]采用本发明的材料硅氧碳作为负极材料制备的扣式电池的充放电曲线测试结果如图4所示，可以看到材料的比容量为650mAh/g左右，首次效率86.7%左右，采用本发明的材料硅氧碳作为负极材料制备的18650全电池的循环性能测试结果如图5所示，可以看到循环了 167次时容量保持率在87%左右。
[0040]上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
【主权项】
1.一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料，其特征在于:包括内层、中间层和外层三层结构，所述内层为S1x基体，所述中间层为碳包覆层，所述外层为石墨，所述S1x基体是在晶体结构特征上具有与S1或是Si与S1x的复合物相一致的特征，所述X的取值范围为大于O且小于2，所述S1x基体为粉末状结构，所述S1x基体平均粒径为2.0-5.0微米，所述S1x基体通过Si和Si02高温反应、升华、冷凝技术细节制备而成的。2.根据权利要求1所述的一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料，其特征在于:所述中间碳包覆层可以是石墨化碳，也可以是无定形碳材料;所述中间碳包覆层厚度为50-300纳米。3.根据权利要求1所述的一种基于氧化硅的硅氧碳复合材料，其特征在于:所述外层石墨可以是任何形式的石墨，粒径为14-20微米。4.一种如权利要求1所述的基于氧化硅的硅氧碳复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤具体如下: 将Si与S12按比例混合，高温反应凝结得到S1x材料； 将S1x材料与聚乙烯粉混合球磨，然后采用化学气相沉积包碳得到S1x-C材料； 将S1x-C材料与石墨高能球磨得到最终娃氧碳复合材料。5.根据权利要求4所述的基于氧化硅的硅氧碳复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)中的Si与S12混合时的摩尔比为1-1.1:1，所述反应温度为1300-1400°C，所述反应时间为15-20小时。6.根据权利要求4所述的基于氧化硅的硅氧碳复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中的聚乙烯粉的质量分数为1%-3%，所述化学气相沉积包碳的碳源为乙烯和氩气混合气体，所述乙稀体积分数为0.3%-1%，所述球磨转速为300-500rpm，所述时间4-8h，所述包碳温度为850-950°C，所述包碳时间为1-2小时。7.根据权利要求4所述的基于氧化硅的硅氧碳复合材料的制备方法，其特征在于:所述步骤(3)中的石墨平均粒径为14-20微米，所述高能球磨转速为500-800rpm，所述时间为4-8h。8.—种如权利要求1所述的基于氧化硅的硅氧碳复合材料的用途，其特征在于:可以用做锂离子电池高容量负极，以及采用负极制备而成的锂电池。
【文档编号】H01M10/0525GK106025220SQ201610466084
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】贺劲鑫, 周勇岐, 靳承铀, 郑媛媛, 薛驰, 缪永华, 赵映军
【申请人】中天储能科技有限公司