[发明专利]一种硅碳烯材料的制备方法及其电极活性材料的制备方法

说明书

一种硅碳烯材料的制备方法及其电极活性材料的制备方法，为提高硅碳烯产率，在生长碳原子环时，结合生长硅单原子层或者在硅环层上生长碳单原子层，形成硅碳烯晶体。此技术利用改进的等离子体反应腔和磁控溅射方法直接在反应过程中800～1300℃热处理，在加热时间内，形成石墨烯晶核时，与硅晶核进行自组装生长为硅原子层夹碳原子层的三层的结构，生长大片碳化硅单元层，也称为硅碳烯。规模化生长的高纯硅碳烯作为锂钠合金可充电池的电极活性材料具有高比能、稳定的循环特性。本发明也提供一种硅碳烯电极活性材料的制备方法。该硅碳烯电极活性材料具有高比能、稳定的循环特性，可以提升锂钠可充电池的能量密度和功率密度。

技术领域

本发明属于可充电池技术领域，尤其涉及一种高比能、长寿命和稳定的可充电池电极活性材料——硅碳烯材料的制备方法及其应用于可充电池电极活性材料的制备方法。

背景技术

目前，锂离子电池主要是磷酸铁锂电池和三元正极材料电池。前者要用磷元素，如果按照现在电动汽车快速增加的趋势，电池用磷量将会很大，与农业化肥争夺用磷。磷是不可再生的资源，对于动植物来说是不可或缺的。一旦按照现在的趋势用磷，在80年后地球将面临缺磷的状况。对于人类和动植物将灾难。而三元正极材料电池会造成重金属污染。三元正极材料电池存在不明原因的自燃现象，被频频曝光。因此，需要开发环境友好、无污染的电池。

锂离子电池具有很高的能量，但锂资源相对短缺，钠却是资源丰富且廉价资源，钠的理论比容量为1166mAh/g，电极电势Na/Na+，-2.71V；钠金属电池作为可用性可充电池正在受到重视。所谓钠金属电池是指钠金属作为负极，与其它材料构成的对电极，以含锂/钠离子电解液传导介质的可充电池。钠金属不抗氧化，而锂/钠合金却具有较好的抗氧化性能，而且锂/钠合金是共晶合金。钠金属遇水会着火爆炸，而锂/钠(或锂钠)合金却不会。使用锂/钠合金会大为降低锂的使用量，且不会导致容量降低。作为碳化硅由于其三维晶格非常坚硬，不易撑开离子通道，不能大规模存储锂离子。传统观点认为由于钠离子直径大，纳米碳化硅同样不能有效存储钠离子。但究竟达到什么界限不能存储钠离子，却尚未给出确切的实验支撑。钠离子与碳原子可形成碳-钠合金，对于钠离子和硅原子形成钠-硅配位化合物却少有研究。实验证明，硅可以有效地形成钠-硅化合物。对于有效键合或者存储钠离子的硅原子，给予直接的硅原子悬挂键则有效地使钠离子形成金属化合物，直接大规模存储钠离子，碳化硅单元层由于其化学键的极性共价键中一键悬挂，可以形成广泛的钠离子存储空间。

硅碳烯是硅原子和碳原子层堆垛的碳化硅(立方晶格或六角晶格或其它多型晶格)单元层沿一维方向有序排列形成的二维晶体，硅原子和碳原子之间以极性共价键相连。硅原子和碳原子层间有三种堆垛方式，类似于碳化硅的多型体，其中以立方多型晶格(β-SiC)、六角多型(α-SiC，包括4H,6H和15R等多型)结构居多，物理性质稳定。

硅碳烯可以用于锂离子电池活性材料，然而，合成硅碳烯需要高温，因此，开发一种相对低温工艺的类似于碳化硅性能的电池活性材料用于锂离子电池电极成为必要，硅碳烯就是这样一种材料。

硅碳烯与碳化硅的区别在于，一般地讲，碳化硅晶体是硅原子层和碳原子层在层内和层间以极性共价键——sp3杂化键结合形成的单元层相互在三维方向周期性地堆垛，形成了晶体，在表面每个单元层的每个杂化sp3键终结于一个悬挂键；而硅碳烯是硅原子层和碳原子层在其层内和层间同样以极性共价键——sp3杂化键结合，只形成三层硅原子和碳原子层的三种形式的晶体结构，表面终结于一个sp3杂化键的一个悬挂键。可归结为Si-C-Si、Si-C和C-Si-C三种形式。

虽然硅碳烯可以视为碳化硅的单元层，其与碳化硅晶体在性质上差别是很大的。一个是带隙变窄，由于硅原子和碳原子的sp3杂化轨道变形，共价键中的悬挂键易于使共价键变弱；二是沿层生长的晶体具有更强的韧性，可产生更大的扩展空间；硅碳烯内部具有更小的孔径，光学特性更加强烈。

现有技术存在的问题是，采用增强等离子体结合飞秒强激光、静态磁场和偏压技术，直接在石墨烯上面生长硅原子层或者使用是石墨烯和硅烯直接生长硅碳烯，在形成sp3杂化键时较为困难，产率很低。