一种电池硅碳负极材料及其制备方法与流程

本发明属于电池负极材料，具体涉及一种电池硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术：

1、这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

2、全球对高能量密度和高性能可充电电池的需求导致了高容量硅基负极材料的发展，以满足到2035年将插电式汽车电动化以减少碳排放的能源需求。但是，在锂离子电池循环过程中，硅合金机制的高理论容量(4200ma h g(-1))受到其严重体积变化(200％-400％)的限制，因此，硅与碳复合(si@c)代表了实现上述锂离子电池负极实际应用的有希望的策略。

3、通常业界采用的硅碳复合负极材料主要有两种形式，一种是通过硅浆料与石墨颗粒研磨烧结，另一种是通过前驱体多孔碳沉积硅颗粒形成硅碳复合材料。发明人发现，以上方法制备的硅碳材料的均匀性及稳定性难以保证，首先是硅浆料与石墨颗粒的结合稳定性较差，并不能保证足够的硅体积膨胀空间，且在长期循环下硅会与基体脱落、粉化；其次，硅烷沉积多孔碳技术难以保证沉积的均匀性，有时局部沉积量过多也会导致材料基体的破碎或者粉化，这些都对硅碳材料的循环性能和安全性能带来了巨大的挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种电池硅碳负极材料及其制备方法，制备的内嵌硅富勒烯基硅碳负极材料具有均匀性高、稳定性好的优势。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种电池硅碳负极材料，包括碳包覆的内嵌硅富勒烯，其结构为：富勒烯的中空结构内嵌有硅原子或硅原子簇，富勒烯的外部包覆有非晶碳层。

4、富勒烯是碳的第三种同素异形体，具有中空结构。通过直流电弧放电法，在石墨棒中加入活性物质，能够有效生成这种原子或者原子簇内嵌富勒烯，达到对富勒烯的功能化目的。制备的该种内嵌硅原子或硅原子簇的富勒烯核壳结构，可以在一定程度上缓解硅与锂合金化带来的体积膨胀效应，从而提升硅碳负极性能。

5、经过实验证明，如果仅采用内嵌硅富勒烯作为负极材料，富勒烯骨架在锂离子的反复脱出嵌入过程中，结构稳定性变差，导致后续容量保持率下降快，体积膨胀明显变大。而在内嵌硅富勒烯表面包覆非晶碳层，可以有效提高内嵌硅富勒烯基负极材料的结构稳定性，其次，由于富勒烯碳层的碳原子介于sp2碳与sp3碳之间，电子传输性能略差，非晶碳层可以有效增加富勒烯外壳的电子导电性，增强电子传输效率。

6、在一些实施例中，所述富勒烯选自c60、c70或c82中的一种或其混合物。

7、在一些实施例中，所述非晶碳层的层数为2～3层。

8、第二方面，本发明提供所述电池硅碳负极材料的制备方法，包括如下步骤：将纳米sio2粉和石墨碳粉按比例混匀后，填入空心石墨棒，并压实，预热干燥处理；

9、然后在惰性氛围中采用直流电弧放电方法合成内嵌硅富勒烯；

10、将合成的内嵌硅富勒烯进行气相碳包覆，即得碳包覆的内嵌硅富勒烯。

11、在实验过程中，尝试了采用纳米硅粉作为硅源，但发明人发现，硅粉在原位合成时反应活性较低，生成中间态物质时能垒升高，所以生成产物中有效的硅内嵌富勒烯含量反而会降低，无效的空心富勒烯含量上升，为目标产物的分离造成困难。由于sio2反应活性较高，在电弧作用下更容易原位生产si原子，效率高。

12、在一些实施例中，纳米sio2粉和石墨碳粉的摩尔比为1:5～1:10。

13、优选的，纳米sio2粉和石墨碳粉的摩尔比为1:7.5。

14、在一些实施例中，预热干燥处理的程序为：在200～250min内从室温逐步升温到800～1000℃，在800～1000℃保温500～700min，然后自然冷却。

15、在一些实施例中，直流电弧放电的电流为100～150a。

16、在一些实施例中，还包括将合成的内嵌硅富勒烯提取分离的步骤，所述提取为以二硫化碳为萃取液，采用索式提取方法进行萃取。

17、优选的，将萃取完内嵌硅富勒烯的二硫化碳氮气吹干后，采用甲苯超声复溶，过滤后，采用高效液相色谱法进行富勒烯混合物的分离。

18、在一些实施例中，气相碳包覆过程中采用的碳源为ch4或者c2h2。优选为ch4。

19、优选的，气相碳包覆的温度为550～650℃。

20、上述本发明的一种或多种实施例取得的有益效果如下：

21、通过在富勒烯碳笼内内嵌硅原子可以保证锂离子电池硅负极在循环过程中因为合金化反应造成体积膨胀限制在足够空间的碳笼结构内，避免了循环过程中结构破碎粉化等影响。另外由于分子原位结合时的势能壁垒造成每个富勒烯碳笼仅容纳一个或几个硅原子，保证了硅原子良好的分散性，不会因为分散不均匀造成硅原子堆积降低利用率。

技术特征：

1.一种电池硅碳负极材料，其特征在于：包括碳包覆的内嵌硅富勒烯，其结构为：富勒烯的中空结构内嵌有硅原子或硅原子簇，富勒烯的外部包覆有非晶碳层。

2.根据权利要求1所述的电池硅碳负极材料，其特征在于：所述富勒烯选自c60、c70或c82中的一种或其混合物。

3.根据权利要求1所述的电池硅碳负极材料，其特征在于：所述非晶碳层的层数为2～3层。

4.权利要求1所述的电池硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将纳米sio2粉和石墨碳粉按比例混匀后，填入空心石墨棒，并压实，预热干燥处理；

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：纳米sio2粉和石墨碳粉的摩尔比为1:5～1:10。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：预热干燥处理的程序为：在200～250min内从室温逐步升温到800～1000℃，在800～1000℃保温500～700min，然后自然冷却。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：直流电弧放电的电流为100～150a。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：还包括将合成的内嵌硅富勒烯提取分离的步骤，所述提取为以二硫化碳为萃取液，采用索式提取方法进行萃取。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：将萃取完内嵌硅富勒烯的二硫化碳氮气吹干后，采用甲苯超声复溶，过滤后，采用高效液相色谱法进行富勒烯混合物的分离。

10.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：气相碳包覆过程中采用的碳源为ch4或者c2h2；气相碳包覆的温度为550～650℃。

技术总结
本发明公开了一种电池硅碳负极材料及其制备方法，电池硅碳负极材料，包括碳包覆的内嵌硅富勒烯，其结构为：富勒烯的中空结构内嵌有硅原子或硅原子簇，富勒烯的外部包覆有非晶碳层。制备的该种内嵌硅原子或硅原子簇的富勒烯核壳结构，可以在一定程度上缓解硅与锂合金化带来的体积膨胀效应，从而提升硅碳负极性能。在内嵌硅富勒烯表面包覆非晶碳层，可以有效提高内嵌硅富勒烯基负极材料的结构稳定性与电子导电性。

技术研发人员：黄炤中,苏航,曾祥兵
受保护的技术使用者：安徽得壹能源科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29