纳米二氧化硅‑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:12614894阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种纳米二氧化硅-硅基复合材料,其特征在于,所述复合材料包括碳基质以及均匀分散在所述碳基质中的复合颗粒,所述复合颗粒包括核壳结构的纳米二氧化硅-硅颗粒以及包覆在所述纳米二氧化硅-硅颗粒表面的导电碳层。

2.根据权利要求1所述的纳米二氧化硅-硅基复合材料,其特征在于,所述复合材料的中值粒径为1~45μm,优选为3~35μm,进一步优选为5~25μm,特别优选为5~15μm;

优选地,所述复合材料的比表面积为1~55m2/g,优选为2~20m2/g,进一步优选为3~15m2/g;

优选地,所述复合材料的粉体压实密度为0.4~2.6g/cm3,优选为0.5~2.2g/cm3,进一步优选为0.9~2g/cm3,特别优选为0.7~1.8g/cm3

3.根据权利要求1或2所述的纳米二氧化硅-硅基复合材料,其特征在于,优选地,以所述复合材料的总质量为100%计,所述复合材料中,所述碳基质的质量百分比为10~60wt%,优选为20~60wt%;

优选地,以所述复合材料的总质量为100%计,所述复合材料中,所述纳米二氧化硅-硅核壳结构颗粒的质量百分比为5~80wt%;

优选地,以所述复合材料的总质量为100%计,所述复合材料中,所述导电碳层的质量百分比为1~40wt%;

优选地,所述纳米二氧化硅-硅颗粒为核壳结构,所述纳米二氧化硅-硅颗粒的内核和外壳分别为纳米二氧化硅颗粒和纳米硅层;

优选地,所述内核纳米二氧化硅颗粒的粒径为1~50nm;

优选地,所述外壳纳米硅层的厚度为5~40nm;

优选地,所述纳米二氧化硅-硅颗粒的氧含量为8~40wt%;

优选地,所述纳米二氧化硅-硅颗粒的比表面积为20~500m2/g,优选为50~400m2/g。

4.根据权利要求1-3任一项所述的纳米二氧化硅-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)将纳米硅氧化物还原剂和添加剂按照1:(0.5~1):(1~12)混合,进行均相复合,然后热处理,再对热处理产物进行水洗和酸处理,得到核壳结构的纳米二氧化硅-硅颗粒;

(2)对步骤(1)中的纳米二氧化硅-硅颗粒进行均相原位碳包覆,得到由纳米二氧化硅-硅颗粒和导电碳层构成的复合颗粒,其中,导电碳层包覆在纳米二氧化硅-硅颗粒的表面;

(3)将步骤(2)得到的复合颗粒与碳源均相复合,融合处理,再热处理,得到纳米二氧化硅-硅基复合材料。

5.根据权利要求4所述的纳米二氧化硅-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(3)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所述的纳米二氧化硅-硅基复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述纳米硅氧化物的化学组成为SiOx,其中1≤X≤2;

优选地,步骤(1)所述纳米硅氧化物的中值粒径为1~160nm;

优选地,步骤(1)所述还原剂包括钾、钙、钠、镁、铝、锌、铁、铜或镍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20~50μm;

优选地,步骤(1)所述纳米硅氧化物和所述还原剂的质量比为1:(0.5~0.8);

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、硝酸钠或硫酸钠中的任意一种或至少两种的组合;

优选地,步骤(1)所述添加剂使用前过100~200目的筛网;

优选地,步骤(1)所述纳米硅氧化物和所述添加剂的质量比为1:(8~12);

优选地,步骤(1)所述均相复合为:将纳米硅氧化物、添加剂和还原剂进行均相混合,得到均相混合物;

优选地,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)的纳米硅氧化物、还原剂和添加剂置于VC混合机中,进行混合,得到均相混合物;

优选地,步骤(1)所述热处理为:将均相混合物置于密闭容器中,在非氧化性气氛下进行热处理;

优选地,步骤(1)所述热处理过程中,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600~950℃;

优选地,步骤(1)所述热处理的时间为0.5~1h;

优选地,步骤(1)所述酸处理为:将热处理产物置于容器中,加入酸,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,所述方法还包括在步骤(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任一项所述的纳米二氧化硅-硅基复合材料的制备方法,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,采用气相包覆法进行均相原位碳包覆,所述气相包覆法为:向装有纳米二氧化硅-硅颗粒的反应炉中,通入气相碳源,在反应炉旋转的条件下进行原位沉积包覆,得到由纳米二氧化硅-硅颗粒和导电碳层构成的复合颗粒,其中,导电碳层包覆在所述纳米二氧化硅-硅颗粒的表面;

优选地,所述气相包覆法中,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、乙炔和气态的甲苯的组合;

优选地,所述气相包覆法中,所述反应炉的旋转速度为0.2~8rpm;

优选地,所述气相包覆法中,所述气相碳源的通入流量为0.1~1.2L/min;

优选地,所述气相包覆法中,所述原位沉积包覆的温度为600~1000℃,优选为800~1000℃;

优选地,所述气相包覆法中,所述原位沉积包覆的时间为3~6h。

8.根据权利要求4-7任一项所述的纳米二氧化硅-硅基复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(3)所述均相复合采用的方法为固相包覆法、液相包覆法或气相包覆法中的任意一种,优选为固相包覆法;

步骤(3)所述融合处理包括:将步骤(2)得到的复合颗粒和碳源混合均匀后加入至融合机中,进行融合;

优选地,所述融合处理的过程中,融合机的转速为600~3000rpm,优选为300~2000rpm;

优选地,所述融合处理的过程中,融合机的刀具间隙为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,特别优选为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2~5μm;

优选地,步骤(3)所述热处理过程通有保护气,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(3)所述热处理的温度为700~1000℃;

优选地,步骤(3)所述热处理的时间为2~6h。

9.一种负极材料,其特征在于,所述负极材料为权利要1-3任一项所述的纳米二氧化硅-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权利要求1-3任一项所述的纳米二氧化硅-硅基复合材料作为锂离子电池的负极材料。

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