一种双碳层硅碳复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及于锂离子电池材料，特别是涉及一种双碳层硅碳复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、锂离子电池凭借其较高的能量密度、快速的充放电速率以及长循环寿命，在便携式电子产品、储能电站和电动汽车等领域被广泛应用。然而随着人类社会能源需求的日益增长，锂离子电池作为一种储能器件，如何提升其各项性能显的至关重要。其中，作为锂离子电池核心组成部件的负极材料对其性能的影响不可小觑。

2、石墨因其快速的功率密度和良好的稳定性成为当下商业化锂离子电池中使用最为频繁的负极材料之一。尽管石墨的容量已达到了360mah/g，接近于其理论容量(372mah/g)，但其较低的能量密度在很大程度上限制了其进一步的商业化发展。为了响应对于拥有更高能量密度的锂离子电池的市场需求，寻找高容量的负极材料已成为当下一大研究热点。人们把目光转向拥有较高理论容量的si(4200mah/g)，但其在充放电过程中产生的体积膨胀效应往往会造成器件损坏对整体性能产生影响。

3、针对于其体积膨胀效应，人们利用合成硅碳复合材料在缓解si的体积膨胀的同时还能提高材料的导电性。目前硅碳复合材料的制备方法主要有砂磨法和硅烷裂解法。砂磨法主要是通过纳米硅和碳、石墨等进行混合制备，虽具有成本低、制备过程简单的优点，但存在硅晶粒较大、膨胀效应明显、循环性能差等问题。硅烷裂解法主要使用硅烷和多孔碳材料来制备，硅烷气体通过气相沉积的方式在高温下裂解成硅，通过多孔碳丰富的孔道沉积在多孔碳内部。但是部分硅会沉积在多孔碳的表面造成硅与电解液的直接接触引发副反应，此外多孔碳虽然让硅渗入其中起到“笼固”作用，但是其疏松多孔的结构往往造成得到的硅碳复合材料比表面积较高、振实密度较低、碳与硅的结合不够紧密导致电接触较差等问题，这些特征对于硅基负极材料是十分不利的。

4、针对于以上制备方法得到的硅碳负极材料所面临的问题，硅碳负极材料的制备方法仍亟需改善。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于，通过环保、简单的方法来解决通过硅烷裂解法制备的硅碳负极材料所面对的问题。本发明的构思是在硅烷裂解法的基础上，继续采用气相沉积的方式在硅碳复合材料的表面包覆一层紧密的外碳层。这种外碳层可以避免多孔碳表面的硅与电解液直接接触，形成稳定sei膜。此外这种疏松的内碳层和紧密的外碳层的友好结合一方面可以对硅在充放电过程中锂合金化中产生的体积膨胀产生笼固作用，另一方面使材料结构更为紧实，增强碳与硅的接触，在增强材料整体导电率的同时减少副反应的发生。

2、为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：

3、一种双碳层硅碳复合材料，所述双碳层硅碳复合材料包括内核，内核为硅碳材料，还包括内核外包覆的二次碳层。

4、进一步的，内核外包覆有一层二次碳层。

5、优选的，所述二次碳层由碳源气体气相沉积得到。

6、具体的，碳源气体为乙炔；内核硅碳材料使用的碳为结构疏松、孔洞丰富的多孔碳，二次碳层为结构更为紧实的乙炔碳。

7、一种双碳层硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

8、将硅碳材料前驱体置于无氧的cvd炉内；向无氧的cvd炉内通入氮气和碳源气体的混合气体，经过升温、保温和冷却后得到双碳层硅碳复合材料。

9、本发明中的硅碳材料前驱体就属于硅碳材料的一种。

10、具体的，包括以下步骤：

11、将硅碳材料前驱体放置于cvd转炉中，再通入氮气与cvd转炉内的空气进行置换，使cvd转炉设备内部形成无氧环境；

12、在形成无氧环境之后进行升温，缓慢通入氮气和碳源气体的混合气体，经过升温、保温和冷却后得到双碳层硅碳复合材料。该过程中，碳源气体在硅碳材料前驱体表面进行沉积，随着表面碳沉积的增加，比表面积不断下降，最终沉积结束后可得到低比表面积、高振实密度的双碳层硅碳复合材料。

13、优选的，所述硅碳材料前驱体由硅烷裂解法制备得到，其比表面积为352m2/g，振实密度为0.68g/cm3。

14、具体的，使用硅烷和多孔碳材料，硅烷气体通过气相沉积的方式在高温下裂解成硅，通过多孔碳丰富的孔道沉积在多孔碳内部，得到硅碳材料前驱体。

15、优选的，所述氮气和碳源气体的体积比为1:1～3:1。

16、优选的，所述碳源气体为乙炔、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯中的至少一种。

17、具体的，所述碳源气体为乙炔、乙烷、乙烯中的至少一种。混合气体是氮气和碳源气体是在通入前在缓冲罐中混合均匀得到的。

18、优选的，所述升温过程的终点温度为700-900℃；所述升温速率为2-8℃/min；所述保温时间为4-10h。

19、优选的，混合气体每小时的流量为硅碳材料前驱体质量的4-8％。

20、具体的，混合气体的流量的单位为g/h。

21、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

22、本发明的双碳层硅碳复合材料的表面包覆有一层紧密的二次碳层。这种二次碳层可以避免材料内部的硅与电解液直接接触，形成稳定sei膜。本发明的双碳层硅碳材料还具有疏松的多孔碳，多孔碳与二次碳层结合，一方面可以对硅在充放电过程中锂合金化中产生的体积膨胀产生笼固作用，另一方面使材料结构更为紧实，增强碳与硅的接触，在增强材料整体导电率的同时减少副反应的发生。

技术特征：

1.一种双碳层硅碳复合材料，其特征在于：所述双碳层硅碳复合材料包括内核，内核为硅碳材料，还包括内核外包覆的二次碳层。

2.根据权利要求1所述的一种双碳层硅碳复合材料，其特征在于：所述二次碳层由碳源气体气相沉积得到。

3.如权利要求1或2任一项所述的一种双碳层硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种双碳层硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述硅碳材料前驱体由硅烷裂解法制备得到，其比表面积为352m2/g，振实密度为0.68g/cm3。

5.根据权利要求3所述的一种双碳层硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述氮气和碳源气体的体积比为1:1～3:1。

6.根据权利要求3所述的一种双碳层硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳源气体为乙炔、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯中的至少一种。

7.根据权利要求3所述的一种双碳层硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：所述升温过程的终点温度为700-900℃；所述升温速率为2-8℃/min；所述保温时间为4-10h。

8.根据权利要求3所述的一种双碳层硅碳复合材料的制备方法，其特征在于：混合气体每小时的流量为硅碳材料前驱体质量的4-8％。

技术总结
本发明涉及于锂离子电池材料技术领域，一种双碳层硅碳复合材料及其制备方法，所述双碳层硅碳复合材料包括内核，内核为硅碳材料，还包括内核外包覆的二次碳层。将硅碳材料前驱体置于无氧的CVD炉内；向无氧的CVD炉内通入氮气和碳源气体的混合气体，经过升温、保温和冷却后得到双碳层硅碳复合材料。本发明的双碳层硅碳复合材料的表面包覆有一层紧密的二次碳层，可以避免材料内部的硅与电解液直接接触，形成稳定SEI膜。还具有疏松的多孔碳，多孔碳与二次碳层结合，一方面可以对硅在充放电过程中锂合金化中产生的体积膨胀产生笼固作用，另一方面使材料结构更为紧实，增强碳与硅的接触，在增强材料整体导电率的同时减少副反应的发生。

技术研发人员：栗广奉,耿金春,孔祥云,魏建雄,何安新,阮愉悦,吴希湖
受保护的技术使用者：浙江中宁硅业股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5