[發(fā)明專利]一種硅/碳納米管/碳氧化硅復(fù)合材料及制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710846271.2
• 申請(qǐng)日: 2017-09-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107658452B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱麗麗;楊茂萍;王輝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;H01M4/88;H01M4/90;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 合肥市長(zhǎng)遠(yuǎn)專利代理事務(wù)所(普通合伙) 34119
• 代理人: 楊霞;翟攀攀

本發(fā)明公開(kāi)了一種硅/碳納米管/碳氧化硅復(fù)合材料及制備方法和應(yīng)用，涉及硅基復(fù)合材料領(lǐng)域，包括硅納米粒子、碳納米管和碳氧化硅顆粒，碳納米管和硅納米粒子分散混合形成三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電骨架，碳氧化硅顆粒包覆三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電骨架；制備方法是將硅納米粒子和碳納米管加入到有機(jī)硅樹(shù)脂乳液中，超聲攪拌，得到混合液；在惰性氣氛條件下，將混合液進(jìn)行熱裂解處理，得粉體；將粉體進(jìn)行球磨，即得的硅/碳納米管/碳氧化硅復(fù)合材料固體顆粒。本發(fā)明得到碳氧化硅顆粒包覆硅納米粒子和碳納米管的復(fù)合結(jié)構(gòu)，抑制了硅材料的體積膨脹作用，該復(fù)合材料在催化劑載體、物理及化學(xué)電源、超級(jí)電容器等領(lǐng)域都可以使用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及硅基復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硅/碳納米管/碳氧化硅復(fù)合材料及制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

硅具有克容量高、充放電平臺(tái)低、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，成了最具有潛力的鋰離子電池負(fù)極材料之一。但硅本身存在體積膨脹問(wèn)題和導(dǎo)電性差的問(wèn)題決定了其壽命短、循環(huán)性能差的特點(diǎn)。研究表明，將其納米化且與碳材料復(fù)合，是提高硅材料壽命和降低成本的有效手段。

碳氧化硅由于良好的充放電容量及循環(huán)性能，在鋰離子電池領(lǐng)域引起諸多研究者的興趣。其中的硅氧碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，在充放電過(guò)程中有很小的體積變化，能夠盡量保持電極材料的完整性，帶來(lái)很好的循環(huán)穩(wěn)定性。

碳氧化硅由有機(jī)硅樹(shù)脂制備而成，其在外層的包覆性，表現(xiàn)出牢固構(gòu)造包覆硅顆粒，抑制硅材料的體積膨脹；硅納米粒子粒徑小，分布均勻，發(fā)揮出很高的克容量，高庫(kù)倫效率特性；碳納米管在氧化亞硅顆粒內(nèi)部呈現(xiàn)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到改善導(dǎo)電路徑，安定充放電性能，延長(zhǎng)循環(huán)壽命的作用。

目前文獻(xiàn)較多報(bào)道的是采用單獨(dú)的碳氧化硅或者硅材料應(yīng)用在鋰離子電池中，由于各自材料具有一定的缺陷，性能不是很優(yōu)越。因此，對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升其應(yīng)用性能的研究具有重大意義。

發(fā)明內(nèi)容

基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種硅/碳納米管/碳氧化硅復(fù)合材料及制備方法和應(yīng)用，制備的復(fù)合材料抑制了硅材料的體積膨脹，改善導(dǎo)電路徑，安定充放電性能，延長(zhǎng)循環(huán)壽命。

本發(fā)明提出的一種硅/碳納米管/碳氧化硅復(fù)合材料，包括硅納米粒子、碳納米管和碳氧化硅顆粒，碳納米管和硅納米粒子分散混合形成三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電骨架，碳氧化硅顆粒包覆三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電骨架。

優(yōu)選地，所述硅納米粒子的平均粒徑為10-100nm。

優(yōu)選地，所述碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管，優(yōu)選地，所述單壁碳納米管的平均直徑為0.8-2nm，長(zhǎng)度為5nm-200μm；優(yōu)選地，所述多壁碳納米管的平均直徑為5-20nm，長(zhǎng)度為5nm-200μm。

優(yōu)選地，所述碳氧化硅顆粒的平均直徑為1.5-4.5μm。

優(yōu)選地，所述碳氧化硅顆粒與硅納米粒子的質(zhì)量比為1：1-10；優(yōu)選地，所述復(fù)合材料中碳基質(zhì)的質(zhì)量百分含量為10-30％。

本發(fā)明還提出了上述硅/碳納米管/碳氧化硅復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將硅納米粒子和碳納米管加入到有機(jī)硅樹(shù)脂乳液中，超聲攪拌分散，得到混合液；

(2)在惰性氣氛條件下，將混合液進(jìn)行熱裂解處理，得粉體；

(3)將粉體進(jìn)行球磨，即得硅/碳納米管/碳氧化硅復(fù)合材料固體顆粒。

優(yōu)選地，所述步驟(1)中，將硅納米粒子和碳納米管加入到有機(jī)硅樹(shù)脂乳液中，超聲攪拌5-30min，得到混合液，每10g混合液中含有0.5-0.8g硅納米粒子，含0.1-0.3g碳納米管；優(yōu)選地，所述步驟(2)中，在惰性氣氛條件下，將混合液在600-1000℃下熱裂解4-8h；優(yōu)選地，所述步驟(3)中，將粉體進(jìn)行球磨，球磨轉(zhuǎn)速為500-1000r/min，球磨2-5次，每次10-30min，每次冷卻10-30min。