[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于硅碳复合材料技术领域，具体涉及一种硅碳复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种新型的化学电源，因其输出电压高、比能量高、循环寿命长、自放电小、安全、无记忆效应和环境友好已成为当前世界各国在新能源材料领域发展的重点。电极材料是影响电池性能和成本的主要因素，研究和开发电极材料对锂电池的发展有重要意义。

目前，商用锂离子电池一般采用中间相碳微球和改性石墨作为负极材料，但存在理论容量较低(石墨为372mAh/g)，易于有机溶剂共嵌入等缺点，不能满足日益发展的高能量便携式移动电源的需求，因此高容量锂离子电池负极材料的研究与应用已成为提高电池性能的关键。

在已知的锂离子电池负极材料中，硅具有最高的理论容量4200mAh/g，和较合适的脱嵌锂电位(0.1-0.5Vvs.Li/Li⁺)，但其在充放电过程中由于体积膨胀易造成结构破坏，容量急剧衰减。为了缓解硅的体积效应，研究人员对硅负极材料进行改性、掺杂、复合等方法，如Si-Ni合金、Cu₅Si合金、CrSi₂合金、Si-TiN复合材料、SiCN复合材料等，在循环性能上得到了一定的改善但依然不够理想。

近年来研究人员对硅基负极材料进行了一系列的改性研究，包括对硅的纳米化、用碳层包覆硅及制备硅合金复合材料等等，但硅负极材料的循环性能并未得到根本改善。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题而提供一种硅碳复合材料及其制备方法，使用该材料制备的负极材料，具有良好的导电性能和循环稳定性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种硅碳复合材料，包括多孔硅与多孔碳，该多孔硅、多孔碳的质量份数比为4:1-1:4，该硅碳复合材料的粒径为3-5nm。

一种硅碳复合材料的制备方法，由所述多孔硅与多孔碳按质量比混合后，在惰性气体保护下通过球磨机球磨而成混合料后，在碳化炉中烧结后研磨形成。

所述球磨机的转速为800-850r/min转速球磨8-10h，得到所述混合料；

将所述混合料投入碳化炉，在所述碳化炉中以12-15℃/min升温速率升至1200-1400℃，碳化处理3-4h，冷却至室温经研磨后制得多孔状碳硅复合负极材料。

所述球磨机的转速为830r/min转速球磨9h，得到所述混合料；

将所述混合料投入碳化炉，在所述碳化炉中以13℃/min升温速率升至1300℃，碳化处理3h，冷却至室温经研磨后制得多孔状碳硅复合负极材料。

所述多孔硅的制备方法如下：

将摩尔比为1：3∶3∶2-1：5∶5∶3的纳米硅粉、无水乙醇、去离子水和氨水按混合搅拌得到溶液A；将正硅酸乙酯按摩尔比1:5-1:6分散在无水乙醇中搅拌均匀，得到溶液B，将溶液A与溶液B按体积比1:4-1:6充分混合，恒温下搅拌16-18小时，生成内含纳米硅的二氧化硅微球溶胶，将二氧化硅微球溶胶在含有十六烷基三甲基溴化铵的有机模板的乙二醇溶液中热解，制备多孔的二氧化硅，将得到多孔二氧化硅过滤、离心、清洗，干燥，然后在空气中800-900℃的温度下进行2小时热处理，得到多孔二氧化硅；

将多孔二氧化硅与纳米铝粉按质量比1:4-4:1混合700-750r/min转速球磨混合8-9h，将球磨后的混合材料浸没到浓度为1-3.5mol/L盐酸中，盐酸相对完全将铝反应掉的用量多加入10-15％，在反应釜中搅拌5-6h，过滤后用去离子水清洗至pH大于等于6，于140-150℃下烘干，制得多孔状硅。

所述多孔碳的制备方法如下：

按1∶3-1∶5的重量比将酚醛树脂和乙二醇混合搅拌均匀，随后加入酚醛树脂和乙二醇总重量10-12％的苯磺酰氯混合均匀制成混合物，将混和物浇注到模具中，在70-80℃下保温1-1.5h，将初固化后的试样脱模，对试样进行深度固化处理，在初始温度60-80℃时保温10-12h，然后温度每增加20℃保温3-4h，直至温度升至200-250℃再保温4～9h，在N₂保护下进行碳化，升至700℃，保温2h，升温速率3-5℃/min，完成碳化后随炉冷却至室温，停止供N₂，得到多孔碳。