硅碳电极材料及其制备方法和应用与流程

本申请涉及二次电池领域，具体涉及硅碳电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、硅作为负极材料具有高比容量、环境友好、储量丰富等特点，然而硅在充放电过程中会发生体积膨胀，导致材料粉化、sei膜破裂、电池比容量快速衰减，循环寿命缩短等，除此之外，硅的导电性较差，不能满足电池大倍率充放电的需求，以上问题严重限制了硅基材料在二次电池中的应用。因此，有必要开发一种新型的电极材料，以抑制硅的体积膨胀，使电池具有良好的循环性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供了一种硅碳电极材料，该硅碳电极材料不仅具有良好的导电性并且具有良好的结构稳定性，可以有效地缓解硅颗粒体积膨胀引起的性能衰减问题，将该硅碳电极材料应用在二次电池可以提高电池的循环性能，有利于制备高能量密度的二次电池。

2、本申请第一方面提供了一种硅碳电极材料，所述硅碳电极材料包括多孔碳和分布在所述多孔碳孔道中的硅碳复合纳米颗粒；所述硅碳复合纳米颗粒中至少部分硅原子和至少部分碳原子之间形成硅碳键。

3、本申请的硅碳电极材料中，硅碳复合纳米颗粒中的碳可以有效地提升硅的电化学活性，使电极材料具有良好的比容量发挥，碳原子和硅原子之间形成的硅碳键可以抑制硅的膨胀效应；硅纳米颗粒分布在多孔碳的孔道之间，多孔碳的孔道结构与可以有效地分散硅纳米颗粒，抑制硅纳米颗粒的团聚，缓解硅颗粒膨胀应力集中导致材料崩解的问题，并且为硅颗粒的体积膨胀提供缓冲空间，减轻硅颗粒膨胀对材料整体的影响，抑制材料的粉化，有利于改善电池的循环性能。

4、可选地，所述硅碳复合纳米颗粒包括硅颗粒、碳和碳化硅。

5、可选地，所述硅颗粒的平均粒径小于或等于4nm。

6、可选地，所述硅颗粒包括非晶硅。

7、可选地，所述碳包括无定形碳。

8、可选地，所述硅碳复合纳米颗粒中，所述硅原子和所述碳原子堆积形成四面体结构。

9、可选地，所述硅碳复合纳米颗粒中，所述硅原子与所述碳原子的质量比为(1.5～4):1。

10、可选地，所述多孔碳包括人造石墨、天然石墨或硬碳中的一种或多种。

11、可选地，所述孔道的平均深度为50nm～150nm；所述孔道的平均孔径为10nm～30nm。

12、可选地，所述硅碳电极材料还包括包覆在所述多孔碳和所述硅碳复合纳米颗粒表面的无定形碳包覆层。

13、可选地，所述硅碳电极材料中，硅元素的质量百分含量为20％～50％，碳元素的质量百分含量为50％～80％。

14、可选地，所述硅碳电极材料的dv50为12μm～18μm。

15、第二方面，本申请提供了一种硅碳电极材料的制备方法，包括：

16、将多孔碳置于热处理设备中，向热处理设备中通入气态硅源和气态碳源进行气相沉积，得到硅碳电极材料；向热处理设备中通入所述气态硅源和所述气态碳源的流量比为(0.5～2):1；所述气相沉积的温度为300℃～630℃。

17、可选地，所述气态硅源包括sih4、si2h6、si3h8、sicl4、sihcl3、si2cl6、sih2cl2、sih3cl中的一种或多种；所述气态碳源包括c2h2、ch4、c2h6、c2h4、co和co2中的一种或多种；向所述热处理设备中通入所述气态硅源和所述气态碳源的流量为5sccm～60sccm，所述混合气体的通气时间为60min～480min。

18、可选地，所述气相沉积完成后得到前驱体，将所述前驱体与固态碳源混合后在400℃-1000℃下烧结，得到所述硅碳电极材料；所述固态碳源包括沥青和高分子有机物。

19、第三方面，本申请提供了一种负极极片，包括集流体和设置在集流体上的负极材料层，所述负极材料层包括如第一方面所述的硅碳电极材料。

20、第四方面，本申请提供了一种二次电池，包括如第三方面所述的负极极片。

技术特征：

1.一种硅碳电极材料，其特征在于，所述硅碳电极材料包括多孔碳和分布在所述多孔碳的孔道中的硅碳复合纳米颗粒；所述硅碳复合纳米颗粒中至少部分硅原子和至少部分碳原子之间形成硅碳键。

2.如权利要求1所述的硅碳电极材料，其特征在于，所述硅碳复合纳米颗粒包括硅颗粒、碳和碳化硅，所述硅颗粒的平均粒径小于或等于4nm。

3.如权利要求1或2所述的硅碳电极材料，其特征在于，所述孔道的平均深度为50nm～150nm；所述孔道的平均孔径为10nm～30nm。

4.如权利要求1-3任一项所述的硅碳电极材料，其特征在于，所述硅颗粒包括非晶硅。

5.如权利要求1-4任一项所述的硅碳电极材料，其特征在于，所述硅碳电极材料还包括包覆在所述多孔碳和所述硅碳复合纳米颗粒表面的碳包覆层。

6.如权利要求1-5任一项所述的硅碳电极材料，其特征在于，所述硅碳电极材料中，硅元素的质量百分含量为20％～50％，碳元素的质量百分含量为50％～80％。

7.如权利要求1-6任一项所述的硅碳电极材料，其特征在于，所述硅碳电极材料的dv50为12μm～18μm。

8.一种硅碳电极材料的制备方法，其特征在于，包括：

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述气态硅源包括sih4、si2h6、si3h8、sicl4、sihcl3、si2cl6、sih2cl2和sih3cl中的一种或多种；所述气态碳源包括c2h2、ch4、c2h6、c2h4、co和co2中的一种或多种；向所述热处理设备中通入所述气态硅源和所述气态碳源的流量为5sccm～60sccm，所述气态硅源和所述气态碳源的通气时间为60min～480min。

10.如权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述气相沉积完成后得到前驱体，将所述前驱体与固态碳源混合后在400℃-1000℃下烧结，得到所述硅碳电极材料；所述固态碳源包括沥青和高分子有机物中的一种或多种。

11.一种负极极片，包括集流体和设置在集流体上的负极材料层，其特征在于，所述负极材料层包括如权利要求1-7任一项所述的硅碳电极材料。

12.一种二次电池，其特征在于，包括如权利要求11所述的负极极片。

技术总结
本申请提供了一种硅碳电极材料及其制备方法和应用。该硅碳电极材料包括多孔碳和分布在多孔碳孔道中的硅碳复合纳米颗粒；硅碳复合纳米颗粒中至少部分硅原子和至少部分碳原子之间形成硅碳键。该硅碳电极材料不仅具有良好的导电性并且可以有效地缓解硅颗粒体积膨胀引起的性能衰减问题，使得材料具有良好的结构稳定性，将该硅碳电极材料应用在二次电池可以提高电池的循环性能，有利于制备高能量密度的二次电池。

技术研发人员：裴大钊,王良俊,何科峰
受保护的技术使用者：比亚迪股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11