[發明專利]一種硅納米線/硅碳基體復合材料及其制備方法、應用

在審

• 申請號: 201710634111.1
• 申請日: 2017-07-29
• 公開（公告）號: CN107482189A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 朱麗麗;樊少娟
• 申請（專利權）人: 合肥國軒高科動力能源有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M4/86;H01M4/90;H01G11/30;H01G11/32
• 代理公司: 合肥市長遠專利代理事務所(普通合伙)34119
• 代理人: 段曉微,葉美琴

技術領域

本發明涉及硅碳復合材料技術領域，尤其涉及一種硅納米線/硅碳基體復合材料及其制備方法、應用。

背景技術

硅和碳這兩種元素在宇宙中的蘊含量非常豐富，分別居第三位和第七位，因而將這兩種材料商業化具有非常可觀的背景，但是在實際應用中，例如作為鋰離子電池負極材料時，雖然硅具有非常高的理論克容量(4200mAh/g)，但是硅的電導率低，并且循環時會產生巨大的體積變化，使得材料的循環性能非常差，這限制了硅材料在鋰離子電池負極材料中的應用。與此相對的是，碳材料有非常好的鋰離子嵌入和脫出的可逆性，但是它的理論可容量相對來說比較低(372mAh/g)，這不能滿足日益發展的社會對高比能量電池的要求。

硅納米線具有較大的長徑比，具有良好的場發射，電子導電性，廣致發光特性，同時還具有量子效應，使得硅納米線無論在基礎研究領域，還是在應用鄰域都得到廣泛推廣。由于目前合成的硅納米線主要在硅集體上得到，這大大限制了硅納米線的應用，并且單質硅基材成本較高，因而尋找新的硅碳基體復合材料來替代硅基體以制備硅納米線以及硅納米線復合材料，使得它除了在以上領域得到應用以外，還能在催化劑載體、物理及化學電源、超級電容器、晶體管等領域得到迅速推廣。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術單獨使用硅材料或者碳材料作為鋰離子電池的負極材料時都不能滿足需要的缺陷，同時克服現有的硅納米線主要在硅基體上得到的，大大限制了其應用范圍的缺陷，因而提供了一種在保留硅納米線較大比表面積和較大空隙率的優點同時，又充分發揮硅和碳的功能，在硅碳基體的表面生長硅納米線的復合材料及其制備方法。

本發明提出的一種硅納米線/硅碳基體復合材料，包括硅碳基體，和沉積在硅碳基體表面的硅納米線。

優選地，硅碳基體中，碳顆粒平均粒徑為1.0×10²～1.0×10⁵nm，硅顆粒平均粒徑5～50nm。

優選地，硅納米線的直徑為1～500nm，長度為5～2.0×10⁵nm。

本發明還提出的上述硅納米線/硅碳基體復合材料的制備方法，包括如下步驟：

S1、以瀝青為前驅體對硅材料進行裂解碳包覆，再與碳材料進行復合得到硅碳基體；

S2、將硅納米線沉積到硅碳基體表面得到硅納米線/硅碳基體復合材料。

優選地，S1中，將硅材料和碳材料加入瀝青的三氯乙烯溶液中混合，通入氬氣，球磨，干燥得到硅碳基體。

優選地，S1中，硅材料、碳材料和瀝青的重量比為1～2：2.5～3：2～2.8。

優選地，S1中，碳材料為磷片狀石墨、塊狀石墨、無定形石墨和人造石墨中的一種，優選為人造石墨。

優選地，S1中，碳材料的幾何外形為球形。

優選地，S1中，硅材料為納米硅單質顆粒。

優選地，S1的球磨過程中，球料比例為8～12：1，球磨轉速為280～320r/min，球磨時間為18～22h。

優選地，S1中，干燥溫度為190～210℃。

優選地，S2中，將硅納米線的硅源和硅碳基體按照常規方法進行化學氣相沉積，自然冷卻至室溫得到硅納米線/硅碳基體復合材料。

優選地，S2中，硅源為一氧化硅粉末。

優選地，S2中，硅源與硅碳基體的質量比為6.0～6.5：5.5～6.0。

優選地，S2中，化學氣相沉積的溫度為800～1500℃，化學氣相沉積的時間為1～24h，惰性氣體流速為100～400mL/min。

優選地，S2中，惰性氣體為氬氣。

優選地，S2中，硅納米線具有筆直的幾何外觀。

優選地，S2中，硅納米線具有彎曲螺旋狀的幾何外觀。

優選地，S2中，硅納米線垂直在硅碳基體表面定向生長。

優選地，S2中，化學氣相沉積的具體操作如下：將硅源盛裝在三氧化二鋁瓷舟中，然后將盛有硅源的三氧化二鋁瓷舟置于帶抽真空裝置及冷卻水裝置的管式爐中；再將硅碳基體盛裝在三氧化二鋁瓷舟中，然后將盛有硅碳基體的三氧化二鋁瓷舟置于上述管式爐中并靠近氣體出口的一端，盛有硅源的三氧化二鋁瓷舟與盛有硅碳基體的三氧化二鋁瓷舟保持一定距離，再充入氬氣，控制溫度為800～1500℃，保溫1～24h，氬氣流速為100～400mL/min，自然冷卻至室溫。

本發明還提出的上述硅納米線/硅碳基體復合材料在鋰離子電池負極材料中的應用。