[发明专利]一种氧化硅-碳丝活性材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氧化硅‑碳丝活性材料。该材料由碳丝和氧化硅组成，碳丝占总质量的10％～30％。制备方法：将氧化硅在氩气环境下高能球磨10～30小时，将获得的前驱体置于铜箔包裹的刚玉舟内，再将刚玉舟至于化学气相沉积装置中，抽真空至≤1.0×10^‑2Torr，通氩气至常压，然后开始升温，在升温过程中通保护气体和还原气体，升温至1000～1200℃下保持1～3小时，再降到900～1100℃时，通入碳源气体并保持1～3h后，自然冷却至室温。本发明在氧化硅表面生长碳丝，提高了氧化硅的循环稳定性；并且有效地抑制了氧化硅在嵌锂和脱锂过程中的体积变化，使得氧化硅具有高的循环稳定性、首次库伦效率和导电性。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种氧化硅-碳丝活性材料及其制备方法和应用。

背景技术

我们现在所用的锂离子电池负极材料以碳基负极材料为主，该类负极材料的理论比容量只有372mAh/g，这不能满足世界发展所需的高比能锂离子电池的需要。在目前研究的各种负极材料中，由于硅的理论比容量达到4200mAh/g，而且硅在地壳中的储量位居第二位，这些优势使得硅基负极材料受到广泛的关注。然而，硅基材料有它自身的缺点，在充电和放电过程中，由于锂离子的嵌入和脱出造成大的体积形变(约～300％)，同时硅的导电性比较低，这些缺点都影响着硅基负极材料的商业化应用和普及。硅的氧化物(一氧化硅(2615mAh/g)、二氧化硅(1965mAh/g))较硅负极来讲，在充电和放电过程产生较小的体积形变，但是，氧化硅负极材料低的首次库伦效率(ICE：20～40％)、循环不稳定、导电性不好，这些难题影响着氧化硅负极材料的发展。

为解决这些问题，专利CN111584855A将一氧化硅颗粒加入无水乙醇中，超声分散，得分散液；向所述分散液中加入树脂，加热使树脂溶解，搅拌研磨，得混合物；将所述混合物喷雾干燥，得干燥产品；对所述干燥产品进行热处理使树脂先发泡再碳化，用化学气相沉积法在表面进行碳沉积。该方法内容复杂，同时对于氧化亚硅的体积变化不能起到很好的作用，不能有效提高氧化硅的首次库伦效率和导电性等问题。

专利CN110890540A公开了一种含氟一氧化硅负极材料及其制备方法和应用。将一氧化硅粉末与氟化铵粉末混合、研磨，得到一氧化硅-氟化铵复合粉末；将一氧化硅-氟化铵复合粉末在惰性气体保护下烧结，得到含氟一氧化硅负极材料。该方法很难做到将氟元素均匀地分布在所述一氧化硅表面，同时含氟一氧化硅材料的平均粒径为10-70μm，不利于锂离子在该复合负极材料中快速的脱嵌。而且没有有效解决一氧化硅因嵌锂/脱锂过程中出现的体积膨胀问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种氧化硅-碳丝活性材料。具体的技术方案如下：

一种氧化硅-碳丝活性材料，所述活性材料由碳丝和SiOx组成，0≤x≤2，其中碳丝占总质量的10％～30％，SiOx的粒径为10nm～10μm。

本发明的目的之二是提供所述氧化硅-碳丝活性材料的制备方法。具体技术方案如下：

所述氧化硅-碳丝活性材料的制备方法，包括以下步骤：将氧化硅在氩气环境下高能球磨10～30小时，获得前驱体；将所述前驱体置于化学气相沉积装置中(也可以将所述前驱体置于铜箔包裹的刚玉舟中，再将刚玉舟置于化学气相沉积装置中)，抽真空至≤1.0×10^-2Torr，通氩气至常压，然后开始升温，在升温过程中通保护气体100～500sccm和还原气体20～100sccm，升温至1000～1200℃下保持1～3小时，再降到900～1100℃时，通入碳源气体10～100sccm，在900～1000℃下保持1～3h后，关闭碳源气体，自然冷却至室温，即可得到所述氧化硅-碳丝活性材料。

优选地，所述保护气体为氮气、氩气或氦气。

优选地，所述还原气体为氨气、氢气或硫化氢中的任一种或两种以上混合物。