[发明专利]一种硅/碳纳米管/碳氧化硅复合材料及制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硅/碳纳米管/碳氧化硅复合材料及制备方法和应用，涉及硅基复合材料领域，包括硅纳米粒子、碳纳米管和碳氧化硅颗粒，碳纳米管和硅纳米粒子分散混合形成三维网络导电骨架，碳氧化硅颗粒包覆三维网络导电骨架；制备方法是将硅纳米粒子和碳纳米管加入到有机硅树脂乳液中，超声搅拌，得到混合液；在惰性气氛条件下，将混合液进行热裂解处理，得粉体；将粉体进行球磨，即得的硅/碳纳米管/碳氧化硅复合材料固体颗粒。本发明得到碳氧化硅颗粒包覆硅纳米粒子和碳纳米管的复合结构，抑制了硅材料的体积膨胀作用，该复合材料在催化剂载体、物理及化学电源、超级电容器等领域都可以使用。

技术领域

本发明涉及硅基复合材料技术领域，尤其涉及一种硅/碳纳米管/碳氧化硅复合材料及制备方法和应用。

背景技术

硅具有克容量高、充放电平台低、资源丰富等优点，成了最具有潜力的锂离子电池负极材料之一。但硅本身存在体积膨胀问题和导电性差的问题决定了其寿命短、循环性能差的特点。研究表明，将其纳米化且与碳材料复合，是提高硅材料寿命和降低成本的有效手段。

碳氧化硅由于良好的充放电容量及循环性能，在锂离子电池领域引起诸多研究者的兴趣。其中的硅氧碳网络结构很稳定，在充放电过程中有很小的体积变化，能够尽量保持电极材料的完整性，带来很好的循环稳定性。

碳氧化硅由有机硅树脂制备而成，其在外层的包覆性，表现出牢固构造包覆硅颗粒，抑制硅材料的体积膨胀；硅纳米粒子粒径小，分布均匀，发挥出很高的克容量，高库伦效率特性；碳纳米管在氧化亚硅颗粒内部呈现三维网状结构，起到改善导电路径，安定充放电性能，延长循环寿命的作用。

目前文献较多报道的是采用单独的碳氧化硅或者硅材料应用在锂离子电池中，由于各自材料具有一定的缺陷，性能不是很优越。因此，对材料结构进行优化，提升其应用性能的研究具有重大意义。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种硅/碳纳米管/碳氧化硅复合材料及制备方法和应用，制备的复合材料抑制了硅材料的体积膨胀，改善导电路径，安定充放电性能，延长循环寿命。

本发明提出的一种硅/碳纳米管/碳氧化硅复合材料，包括硅纳米粒子、碳纳米管和碳氧化硅颗粒，碳纳米管和硅纳米粒子分散混合形成三维网络导电骨架，碳氧化硅颗粒包覆三维网络导电骨架。

优选地，所述硅纳米粒子的平均粒径为10-100nm。

优选地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，优选地，所述单壁碳纳米管的平均直径为0.8-2nm，长度为5nm-200μm；优选地，所述多壁碳纳米管的平均直径为5-20nm，长度为5nm-200μm。

优选地，所述碳氧化硅颗粒的平均直径为1.5-4.5μm。

优选地，所述碳氧化硅颗粒与硅纳米粒子的质量比为1：1-10；优选地，所述复合材料中碳基质的质量百分含量为10-30％。

本发明还提出了上述硅/碳纳米管/碳氧化硅复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将硅纳米粒子和碳纳米管加入到有机硅树脂乳液中，超声搅拌分散，得到混合液；

(2)在惰性气氛条件下，将混合液进行热裂解处理，得粉体；

(3)将粉体进行球磨，即得硅/碳纳米管/碳氧化硅复合材料固体颗粒。

优选地，所述步骤(1)中，将硅纳米粒子和碳纳米管加入到有机硅树脂乳液中，超声搅拌5-30min，得到混合液，每10g混合液中含有0.5-0.8g硅纳米粒子，含0.1-0.3g碳纳米管；优选地，所述步骤(2)中，在惰性气氛条件下，将混合液在600-1000℃下热裂解4-8h；优选地，所述步骤(3)中，将粉体进行球磨，球磨转速为500-1000r/min，球磨2-5次，每次10-30min，每次冷却10-30min。