[发明专利]一种碳包覆复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆复合材料的制备方法及其应用。将待包覆材料、聚丙烯腈加入N,N‑二甲基甲酰胺溶液，并于25~85℃下搅拌12~24h；在得到的溶液中加入去离子水，至待包覆材料和聚丙烯腈的混合物充分析出；将析出物预氧化后于惰性气体氛围下碳化，得到碳包覆复合材料。本发明利用共聚物水析方法简化了碳包覆复合材料的制备步骤，提高了制备速度和安全性；同时可以精确调控复合材料中碳包覆层的含量，更符合实际需求；且由于可调变量多，使复合材料的结构和形貌更可控。本方法应用于锂离子电池硅负极材料，使电池展现出了优异的循环性能，在0.1A g^‑1电流密度下循环100次后，容量保持率大于85%。

技术领域

本发明属于复合材料制备及能源技术领域，具体涉及一种碳包覆复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

随着社会的发展，单组分材料已经不能满足新能源等领域的发展需求。复合材料是按特定比例将不同性质的材料组合形成的一种材料，因其能同时展现多种单组分材料的优势，已经在包括新能源在内的各领域发挥了重要的作用。

碳包覆复合材料能够赋予被包覆材料更优异的电导性，同时能使整体材料结构更加稳定，在能源领域，尤其是硅基锂离子电池方面具有十分广阔的应用前景。因此碳包覆复合材料的制备方法也引起越来越多的重视，但目前的制备方法仍存在制备工序复杂、使用/产生甲烷等危险气体、可控性差等问题。

在申请号为201910155100.4，发明名称为“一种锂电池硅碳复合材料及其制备方法”专利中，采用化学气相沉积法(CVD)在纳米硅和石墨表面生长导电碳层形成了碳包覆材料，但是制备过程中使用了危险气体甲烷等作为碳源气体；在申请号为201910868504.8，发明名称为“一种新型的碳包覆硅氧负极材料的制备方法”专利中，将沥青和前驱体进行球磨，经过高温碳化形成碳包覆材料，但制备方法中球磨法无法保证完全的碳包覆，其次使用的沥青材料导电性等性能均较差，影响了整体碳包覆材料的性能。

总之，现有制备碳包覆复合材料的技术主要存在制备工序复杂、使用/产生甲烷等危险气体、可控性差等问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种碳包覆复合材料的制备方法，该方法简单，制备过程安全可控，将制备方法应用于锂离子电池硅基负极材料的制备中，极大改善了硅基锂离子电池的循环性能。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种碳包覆复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，前处理

将质量比为1:10～1:1的待包覆材料、聚丙烯腈加入N,N-二甲基甲酰胺溶液中，并于25～85℃下搅拌12～24h得混合溶液A；

步骤2，后处理

用1ml～5ml移液枪往混合溶液A中逐滴加入去离子水，至待包覆材料和聚丙烯腈的混合物充分析出；

步骤3，热处理

将析出产物在280℃下预氧化；然后于惰性气体氛围下进行高温碳化，所得碳化产物即为含有待包覆材料的碳包覆复合材料。

具体的，步骤1中待包裹材料为纳米硅颗粒、MXene纳米片或其量子点、石墨烯，或导电炭黑中一种或多种微纳米级的固体材料。

具体的，步骤1所述的聚丙烯腈的平均分子量为150000；在N,N-二甲基甲酰胺溶液中的质量分数为6～12％wt％。

具体的，步骤3所述的预氧化温度为280℃，升温速率为1℃/min，预氧化时间为1～5h。