[发明专利]一种碳化硅包覆的空心硅材料、其制备方法以及使用该材料的电极和电化学装置

说明书

本公开涉及一种碳化硅包覆的空心硅材料，其特征在于，该材料包括空心硅颗粒，以及包覆在空心硅颗粒上的碳化硅致密层。根据本公开的方法，通过在空心硅外层沉积碳化硅，限制了体积向外膨胀，同时空心结构为材料提供了向内膨胀的空间，从而抑制了硅负极材料外观体积变化问题，显著提高了电池的循环寿命。本公开合成的碳化硅薄膜均匀、致密。而且本公开的合成工艺简单，易于产业化。

技术领域

本公开涉及一种碳-硅复合材料。具体而言，本公开涉及一种碳化硅包覆的空心硅材料、其制备方法的新型合成方法以及使用该材料的电极和电化学装置。

背景技术

在锂离子电池充放电过程中，硅负极材料存在较大的体积膨胀和收缩，所以不可避免地会引起负极片活性物质从铜箔集流体上脱落，从而导致电池容量衰减较快。

为了解决锂离子电池充放电过程中负极材料的体积变化问题，研究人员已做了许多改进，如将其制备成纳米颗粒或者空心颗粒等。但这些方法仍存在一些问题。因此，仍需要一种保持硅负极材料的电化学性能的同时，改善其体积变化的方法。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种碳化硅包覆的空心硅材料。

本发明的另一个目的是提供一种所述碳化硅包覆的空心硅材料的制备方法。

本发明的另一个目的是提供一种使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制备的负极。

本发明的另一个目的是提供一种使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制备的电化学装置。

根据本公开的一个实施方式，其提供了一种碳化硅包覆的空心硅材料，其特征在于，

该材料包括空心硅颗粒，以及包覆在空心硅颗粒上的碳化硅致密层。

在一些实施例中，所述空心硅的空腔的粒径在10-50nm之间，该空心硅的粒径在30-100nm之间，且空心硅上包覆的碳化硅致密层的厚度在2-5nm之间。

在一些实施例中，在该材料中，碳化硅致密层中的碳与碳化硅的重量比为13：87-33：67。

在一些实施例中，该材料的比表面积是15-20m²/g，优选17m²/g。

该碳化硅在通过单色镜利用的铜辐射测量的X射线粉末衍射图中，在35.5°±0.02°、60°±0.02°、72°±0.02°的衍射角(2θ)处有特征峰。

根据本公开的另一个实施方式，其提供了一种碳化硅包覆的空心硅材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：将空心硅颗粒放入反应炉内；

步骤2：在惰性气体环境下，在1050-1150℃的条件下，基于空心硅的重量，通入5-10％重量的碳源气体；

其中，所述碳源气体选自CH₄、C₂H₂和CO的一种或多种。

在一些实施例中，步骤2中的碳源气体为CH₄、C₂H₂和CO，同时需要通入一定量的氩气或氮气。

在一些实施例中，步骤2的持续时间是5-20min。

在一些实施例中，在碳源气体中包含的CO含量超过40％时，在步骤2中还同时通入相当于CO含量的25％的量的H₂。

根据本公开的另一个实施方式，其提供了一种使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制备的负极。

根据本公开的另一个实施方式，其提供了一种使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制备的电化学装置。