[发明专利]一种原位碳包覆的二氧化硅碳复合材料制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种原位碳包覆的二氧化硅碳复合材料制备方法及其应用，该方法包括以下几个步骤：将碳源、表面活性剂、碱液混合溶解，加入有机硅源，搅拌，转移溶液至反应釜中高温高压进行水热反应，得到黑色沉淀干燥，干燥物置于炉中，通入保护气高温下反应，得到产物为二氧化硅碳复合材料。该发明工艺简单易行，原料丰富廉价，得到二氧化硅材料颗粒均一分布，碳包覆均匀，导电性强，可以应用到锂电池负极材料领域。

技术领域

本发明属于新能源材料制备技术领域，特别涉及原位碳包覆的二氧化硅碳复合材料制备方法。

背景技术

提高动力电池比能量，是解决现阶段电动汽车“里程焦虑”的最有效途径。权威资料显示，锂离子动力电池要在2020要达到300 W·h/kg的发展目标，目前唯一可行的技术路线是：高镍三元正极材料NCM 811、NCA或富锂锰基配合硅基负极材料。

研究表明，负极材料的比容量每增加500 mA·h/g，锂离子电池的比能量可提高15%。硅基负极材料的理论比容量最高可达4200 mA·h/g，是传统石墨负极容量的10倍，而且具有储量丰富、成本低廉、环境友好等优势，是高比能量锂离子电池负极材料的首选。可用作负极的硅基材料包括：硅单质(Si)、氧化亚硅(SiO)、二氧化硅(SiO₂)、碳化硅(SiC)等，其中氧的引入可显著提高硅基材料在锂离子脱嵌过程中的稳定性。

常规的二氧化硅碳复合材料一般都是先采用干法或湿法如沉淀、溶胶-凝胶、水解法合成纳米或微米级二氧化硅材料，在此基础上进行碳包覆。这样碳包覆得到的产物一般包覆不均匀，由于二氧化硅本身导电性差，后期碳包覆使得电池循环性能并没有得到明显改善。本发明的主要目的是原位碳包覆二氧化硅，在二氧化硅生长的基础上包覆碳，使得材料整体导电性增强，缩短锂离子在电池中的传输路径。碳包覆在材料充放电过程中缩涨时维持了材料的稳定结构，增强材料的循环性能。

发明内容

本发明目的是提供一种原位碳包覆的二氧化硅碳复合材料制备方法，提高二氧化硅碳复合材料的倍率性能、循环性能和稳定性能，通过原位碳包覆，达到提高二氧化硅碳复合材料的导电性及循环稳定性的目的。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

1）将一定量分散剂、碱、碳源溶解于一定量溶剂中，形成溶液A；

2）将有机硅源分时间段逐次滴加入溶液A中，常温搅拌，转移至反应釜中高温高压进行水热反应，得到黑色沉淀，将沉淀洗涤干燥，得到产物A；

3）将产物A置于炉中，通入保护气，在一定温度下反应一定时间后，得到产物B，产物B为二氧化硅碳复合材料。

所述分散剂为聚乙烯醇，聚丙烯酸，十二磺基磺酸钠，聚乙烯吡咯烷酮，十六烷基三甲基溴化铵，十二磺基硫酸钠中的一种或两种以上，浓度为0.00004~0.00016 mol/L。

所述碳源为碳水化合物如葡萄糖，蔗糖，白砂糖中的一种或两种以上，浓度为0.0015-0.006 mol/L。

所述溶剂为乙醇，异丙醇，乙醚，丙酮中的一种或两种以上。

所述碱溶液为氢氧化钠，氨水，氢氧化钾中的一种或两种以上，浓度为0.2~1.6mol/L。

所述有机硅源为正硅酸四乙酯，正硅酸甲酯，正辛基三乙氧基硅烷中的一种或两种以上，浓度为0.05-0.4mol/L。

所采用的高温高压水热法，使有机硅源在碱帮助水解下，加速形成二氧化硅，且同时加速葡萄糖分解成碳，均匀包覆在二氧化硅外部。

所述高温高压水热法中，温度在150-200℃，反应时间在5-12小时。

所述烧结过程中，采用惰性气体为氮气，氩气，氢氩混合气的一种或两种以上。