一种硅碳复合材料的制备方法与流程

本发明属于锂离子电池材料制备领域，具体来说涉及一种硅碳复合材料的制备方法。

背景技术：

1、硅碳材料以其能量密度高，材料来源广泛等优点而应用于高比能量密度锂离子电池，目前的硅碳制备方法主要有砂磨法和硅烷裂解法，砂磨法主要通过砂磨机对其多晶硅进行研磨到100nm并与无定形碳，石墨进行混合，其具有制备过程简单、成本低等优点，但是存在硅晶粒较大、膨胀大，循环性能差等缺点；而采用硅烷裂解法具有硅晶粒小、膨胀低、循环性能好等优点，但是由于对制备环境要求高等，制造成本较高；而硅烷裂解法主要是通过硅烷在高温下裂解沉积在多孔碳中，其存在多孔碳的力学强度低，阻抗大，对降低膨胀的幅度较小，降低循环性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述缺点而提供的一种能降低硅碳材料的膨胀、提升首次效率的硅碳复合材料的制备方法。

2、本发明的一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

3、步骤s1:按聚丙烯腈：氮源：锂源：碱液；有机溶剂=10-30：1-10：1-10：1-5：100，将聚丙烯腈、氮源、锂源、碱液溶于有机溶剂dmf中配置成质量浓度为10-20wt%纺丝液，在电压为10-30kv、推注速率为0.05-0.15ml/min条件进行静电纺丝，得到前驱体材料，在氧气气氛中在温度为400-600℃碳化烧结1-6h，得到多孔碳纤维；

4、步骤s2:将多孔碳纤维转移到反应腔中，在进口处通入流量为10-100ml/min的硅烷混合气体，加热温度为350-450℃，出口处排出氢气混合气体，并保持腔内压强为1-2mpa、反应时间30-300min,得到纳米硅/多孔碳纤维材料；

5、步骤s3: 将纳米硅/多孔碳纤维材料转移到真空腔中，抽真空到-0.1mpa，通入流量为10-100ml/min的气化有机溶液，并加热到400-500℃进行碳沉积30-300min，然后粉碎到粒度d50为5-10µm，得到硅碳复合材料。

6、上述的一种硅碳复合材料的制备方法，其中：步骤s1中所述的氮源为多巴胺、尿素或三聚氰胺中的一种；锂盐为醋酸锂、草酸锂、二氟磷酸锂锂、二氟硼酸锂或二异丙基氨基锂中的一种；碱液为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾或碳酸氢钾中的一种。

7、上述的一种硅碳复合材料的制备方法，其中：步骤s2中所述的硅烷混合气体中sih4：氩气体积比=1-5：10。

8、上述的一种硅碳复合材料的制备方法，其中：步骤s3中所述的有机溶液为甲苯、氯仿或二甲苯中一种。

9、本发明与现有技术相比，具有明显的有益效果，从以上技术方案可知：本发明制备出掺杂氮、锂多孔碳纤维，并在其孔隙中沉积纳米硅、无定形碳，制备出硅碳材料。将纳米硅沉积在掺杂氮、锂的多孔碳纤维中，依靠其碳纤维的多孔结构容纳纳米硅提升比容量及其碳纤维的结构降低硅的膨胀。在多孔碳纤维中掺杂氮提升材料的电子导电率及其锂提升锂离子导电率，并减少缺陷，提升首次效率。通过负压在纳米硅/多孔碳纤维材料表面沉积无定形碳，由于负压下有机溶液的沸点低，使其裂解沉积温度低，降低硅晶粒的生成速度，并降低充放电过程中硅的膨胀。本发明的硅碳材料应用于锂离子电池具有比容量高、首次效率高、膨胀低、循环性能优异等。

技术特征：

1.一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种硅碳复合材料的制备方法，其中：步骤s1中所述的氮源为多巴胺、尿素或三聚氰胺中的一种；锂盐为醋酸锂、草酸锂、二氟磷酸锂锂、二氟硼酸锂或二异丙基氨基锂中的一种；碱液为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾或碳酸氢钾中的一种。

3.如权利要求1所述的一种硅碳复合材料的制备方法，其中：步骤s2中所述的硅烷混合气体中sih4：氩气体积比=1-5：10。

4.如权利要求1所述的一种硅碳复合材料的制备方法，其中：步骤s3中所述的有机溶液为甲苯、氯仿或二甲苯中一种。

技术总结
本发明公开了一种硅碳复合材料的制备方法，包括：将聚丙烯腈、氮源、锂源、碱液溶于有机溶剂DMF中配置成纺丝液，进行静电纺丝，得到前驱体材料，在氧气气氛中碳化烧结得到多孔碳纤维；转移到反应腔中，在硅烷混合气体加热，并保持腔内压强为1‑2Mpa、反应时间30‑300min,得到纳米硅/多孔碳纤维材料；转移到反应腔中，沉积硅烷，并保持腔内的压力为微正压，之后在真空腔中微负压下沉积碳源，得到硅碳复合材料。本发明的材料应用于锂离子电池具有比容量高、首次效率高、膨胀低、循环性能优异等。

技术研发人员：张乾
受保护的技术使用者：晖阳（贵州）新能源材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14