碳包覆硅材料的制备方法及其碳包覆硅材料与流程

本发明涉及材料制备，尤其涉及碳包覆硅材料的制备方法及其碳包覆硅材料。

背景技术：

1、传统负极活性材料石墨的理论容量只有372mah/g，严重限制了其在高能量密度锂离子电池中的应用。而作为新型负极材料的硅，理论比容量高达4200mah/g，是理想的负极材料，但是硅基负极材料在嵌锂过程中会出现将近300％的体积膨胀，不仅如此，硅基负极也存在导电性能较差，首效低的缺点，为了增加硅基负极材料的导电性能和首效，最简单的方法是在其表面上增加一层碳包覆层。

2、传统的碳包覆法分为气相沉积法(cvd)、固相包覆法和液相包覆法。

3、其中，传统的气相沉积法(cvd)利用有机气体在高温下发生裂解生成碳、碳氢化合物和氢气，物料通过设备的旋转或者流化，使气体与物料充分接触，实现物料的均匀包覆。通常有机气体需要连续的通入设备，因此，生产过程中炉尾会产生大量废气，需要搭配尾气处理装置，否则容易造成环境污染，而且有机气体的利用率较低。同时，该方法还需要全程持续通入大量的保护气体，作为保护气氛，使设备炉膛内部保持一定的微正压(0至100pa)，使空气不会泄露到设备内部，提升设备安全性，该方法会造成大量的惰性气体浪费，增加成本。

4、传统固相包覆法通过固体碳源和物料进行混合，经高温热处理后，固体碳源发生分解，在物料表面残留少量碳，得到碳包覆的物料，但是该方法包覆效果不太均匀，碳包覆的物料电导率很低，且包覆后的粉体物料较硬，需要进行破碎或者粉碎工序，可能对材料结构造成破坏，热解过程中也会产生大量有毒有害的气体，如co、co2、氮氧化合物和硫氧化合物。

5、而液相包覆法与固相包覆法相比，只是将固体碳源替换成液体碳源，如乙醇、丙酮、乙酸等，液相包覆相比于固相包覆会更均匀，但该方法工艺比较繁琐，工序比较复杂，生产效率较低，同时也产生大量的废气污染环境。

6、基于上述问题，业界非常需要一种制造工艺简单，碳源利用率高，包覆均匀且不会对环境造成污染的硅基负极材料的碳包覆工艺。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种碳包覆硅材料的制备方法及其碳包覆硅材料，此制备方法中碳源添加物的利用率高，包覆均匀，且工艺简单，有利于大规模商业化，不产生污染性废气，可降低环境污染，同时不需要全程通保护气体，不需要做尾气处理，能大量节省生产制造成本。所制得的碳包覆硅材料的包覆性能佳，电导率高。

2、为实现上述目的，本发明第一方面提供了碳包覆硅材料的制备方法，包括步骤：

3、(i)提供硅材料颗粒；

4、(ii)将硅材料颗粒置于反应器中升温并保持为一定温度，再维持反应器内部为真空状态，加入碳源添加物且混合硅材料颗粒和碳源添加物并维持反应器内部为一定压力，升温于600℃至1200℃进行裂解反应，再进行后处理。

5、本发明的碳包覆硅材料的制备方法中，先将反应器升温并保持为一定温度，再维持为真空状态，故将碳包覆过程于封闭真空体系下进行，加入碳源添加物且维持反应器内部为一定压力可使碳源添加物在反应过程中能均匀充分地充满反应器内部，两者混合均匀后并于600℃至1200℃下进行裂解反应，裂解所形成的碳能够均匀的包覆在硅材料颗粒的表面，其碳源添加物的利用率高，可到90％以上，且碳包覆紧密、均匀，材料的电导率高。该制备方法工艺简单，维持为真空状态不容易引入杂质，不需要全过程通入保护气体，不需要做尾气处理，故极大节约了成本，且反应过程中不会产生废气废料，对环境和身体危害小。

6、在一些实施方案中，提供硅材料颗粒包括依次的硅基颗粒的制备和硅基颗粒的后处理。

7、在一些实施方案中，硅基颗粒的制备包括将硅源依次经破碎、球磨、粉碎、分级，硅源为siox，且0≤x＜2。

8、在一些实施方案中，制备所得硅基颗粒的dv50为1.0μm至20.0μm。

9、在一些实施方案中，制备所得硅基颗粒的含水量为0至2000ppm。

10、在一些实施方案中，制备所得硅基颗粒的比表面积为0.1m2/g至100.0m2/g。

11、在一些实施方案中，对硅源依次采用破碎机、球磨机、粉碎机、分级机以制备硅基颗粒。

12、在一些实施方案中，硅基颗粒的后处理包括将硅基颗粒进行真空烘干，再通入惰性气体并降温，而后于混合机中混合再筛分。在一些实施方案中，真空烘干于真空烘干机中进行。在一些实施方案中，真空烘干的升温速率为1℃/min至10℃/min。在一些实施方案中，真空烘干的温度为50℃至200℃。在一些实施方案中，真空烘干的真空压力为0.1pa至100kpa。在一些实施方案中，真空烘干的时间为12h至72h。在一些实施方案中，真空烘干的真空压力超过101kpa后需进行降温，且降温后的温度为30℃至120℃。在一些实施方案中，惰性气体包括氮气、氩气、氦气、氖气和氙气中的至少一种。在一些实施方案中，于降温后硅基颗粒的水含量为10ppm至1000ppm。在一些实施方案中，混合机中混合的转速为400rpm至2000rpm。在一些实施方案中，混合机中混合的时间为30min至90min。在一些实施方案中，筛分的目数为200目至1000目。

13、在一些实施方案中，反应器为真空炉，硅材料颗粒平铺于真空炉的炉内底部。

14、在一些实施方案中，一定温度为45℃至200℃。

15、在一些实施方案中，升温至一定温度的升温速率为0.5℃/min至20℃/min。

16、在一些实施方案中，于一定温度下的保温时间为1h至6h。

17、在一些实施方案中，加入碳源添加物前将反应器反复抽真空以使反应器内部的压力维持为0.1至20pa。

18、在一些实施方案中，碳源添加物为碳源或碳源和惰性气体的混合物，其中碳源为固体碳源、液体碳源和气体碳源中的任意一种或组合。固体碳源包括葡萄糖、蔗糖、对苯二甲酸、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯、煤焦油沥青、石油沥青和羧甲基纤维素中的任意一种或组合。液体碳源包括乙醇、苯、n-甲基吡咯烷酮、乙腈、甘油和沥青中的任意一种或组合。气体碳源包括甲烷、乙烯、乙炔、丙烷以及丙烯中的任意一种或组合。惰性气体包括氮气、氩气、氦气、氖气和氙气中的至少一种。

19、在一些实施方案中，碳源添加物为气体碳源，且添加速率为0.5l/min至15.0l/min。

20、在一些实施方案中，碳源添加物为碳源和惰性气体的混合物，且惰性气体通入后压力为0.1pa至50.0kpa。

21、在一些实施方案中，一定压力为50pa至100kpa。

22、在一些实施方案中，将反应器进行搅拌以混合硅材料颗粒和碳源添加物，且搅拌速度为0.1rpm至10.0rpm。

23、在一些实施方案中，裂解反应的升温速率为0.5℃/min至20.0℃/min。

24、在一些实施方案中，裂解反应的反应时间为1h至6h。

25、在一些实施方案中，碳源添加物的利用率≥90％。

26、在一些实施方案中，后处理包括将裂解反应后的产物进行降温，再通入惰性气体，而后于混合机中混合再筛分。在一些实施方案中，降温后的温度为30℃至120℃。在一些实施方案中，惰性气体包括氮气、氩气、氦气、氖气和氙气中的至少一种。在一些实施方案中，混合机中混合的转速为600rpm至2500rpm。在一些实施方案中，混合机中混合的时间为60min至120min。在一些实施方案中，筛分的目数为400目至2000目。

27、本发明第二方面提供了碳包覆硅材料，包括硅材料内核和包覆硅材料内核的碳包覆层，碳包覆硅材料的电导率为0.1s/cm至5.0s/cm。