[發(fā)明專利]硅氣凝膠/微膨石墨復(fù)合材料、其制備方法及應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910235044.5
• 申請日: 2019-03-27
• 公開（公告）號: CN109950493B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭德超;郭義敏;何鳳榮
• 申請（專利權(quán)）人: 東莞東陽光科研發(fā)有限公司;東莞市東陽光電容器有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525;H01G11/50
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明提供一種硅氣凝膠/微膨石墨復(fù)合材料、其制備方法及應(yīng)用。所述復(fù)合材料以微膨石墨為基材，硅氣凝膠插層填充在微膨石墨中，比表面積為200?600m²/g。所述復(fù)合材料由硅源前驅(qū)體材料經(jīng)過在微膨石墨中進(jìn)行原位溶膠?凝膠、超臨界干燥以及原位還原得到。所述復(fù)合材料中，硅氣凝膠與微膨石墨附著力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，硅氣凝膠的孔洞不容易塌陷，能夠很好地限制硅粒子膨脹，適合作為鋰離子電池或鋰離子電容器的負(fù)極材料使用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于硅碳復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硅氣凝膠/微膨石墨復(fù)合材料、其制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

硅基電池負(fù)極材料具有很高的容量性能，純硅的理論比容量是4200mAh/g，是極具開發(fā)潛力的儲能器件的負(fù)極材料。目前硅基負(fù)極材料面對的主要問題是硅在充放電過程中的體積變化，使用碳材料作為緩沖骨架，可以緩沖硅材料的體積膨脹和縮小，因此，硅碳復(fù)合負(fù)極材料應(yīng)運(yùn)而生。

目前對硅碳負(fù)極材料的研究已經(jīng)很多，但都存在一定的缺陷。

中國申請CN103346026 A將納米硅顆粒與納米碳材料混合制備前驅(qū)體溶液，并將前驅(qū)體溶液霧化后進(jìn)行復(fù)合材料的沉積，經(jīng)加熱后得到納米硅碳復(fù)合電極材料。該發(fā)明制備的納米硅碳復(fù)合電極材料為物理機(jī)械混合，納米硅粉與碳納米管或石墨烯之間相互接觸并依靠范德華力復(fù)合在一起。兩者之間的復(fù)合強(qiáng)度不足，電極活性物質(zhì)仍然有崩裂脫落的風(fēng)險，且其所使用的碳納米管、石墨烯等材料價格昂貴，比表面積大、不易分散，超聲霧化熱沉積法并不能使其與納米硅粉充分均勻混合。

中國申請CN106025205A以金剛石線切割工藝對高純硅棒加工中產(chǎn)生的硅微粒廢料作為原料，與水的混合液經(jīng)過壓濾工藝制得水合硅微粒后，在氫氟酸溶液中通過化學(xué)腐蝕制備出納米多孔硅微粒，最后將納米多孔硅微粒與碳?xì)浠衔锘旌虾螅诙栊詺夥障聼崽幚慝@得納米多孔硅碳復(fù)合微粒。該發(fā)明所使用的硅粉為100～1000nm，較大的顆粒尺寸導(dǎo)致硅材料的離子/電子傳輸路徑太長而導(dǎo)電性差。

中國申請CN105355870A通過熱處理制備膨脹石墨，并與納米硅、碳源通過球磨機(jī)械混合，得到膨脹石墨與納米硅復(fù)合材料的前驅(qū)體，最后通過熱處理工藝將碳源轉(zhuǎn)化為無定形碳，制備得到一種高密度膨脹石墨與納米硅的復(fù)合材料。該發(fā)明同樣使用了商業(yè)化硅粉，通過簡單機(jī)械混合的方法與膨脹石墨進(jìn)行混合，兩者之間的結(jié)合力不足。

中國申請CN106848275A提供了一種鋰離子電池負(fù)極材料硅氣凝膠的制備方法，通過傳統(tǒng)的溶膠～凝膠法制備納米二氧化硅氣凝膠，然后通過鎂熱還原法將二氧化硅氣凝膠還原為納米硅。由于硅材料具有較低的電子導(dǎo)電率，其制備的材料作為負(fù)極材料應(yīng)用于鋰離子電池中，會顯著增加鋰離子電池的不可逆容量，導(dǎo)致鋰離子的倍率性能及充放電效率顯著降低。此外，該申請?jiān)趯⒍趸铓饽z還原為納米硅過程中，采用鎂粉與二氧化硅氣凝膠混合，依次經(jīng)過氬氣氣氛高溫煅燒及空氣氣氛高溫煅燒后，得到氧化鎂和納米硅的混合物，再充分研磨并用鹽酸除去混合物中的氧化鎂雜質(zhì)，經(jīng)真空干燥才能得到純凈的納米硅氣凝膠，工藝過程較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的至少是解決如下技術(shù)問題中的一種：

(1)現(xiàn)有的硅碳復(fù)合材料制備方法中，一般是先制備二氧化硅凝膠，然后再與石墨進(jìn)行機(jī)械混合，得到的復(fù)合材料硅、碳混合不均勻，且兩者的結(jié)合強(qiáng)度低；

(2)現(xiàn)有的硅碳復(fù)合材料，復(fù)合結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，孔洞結(jié)構(gòu)容易坍塌，不能長時間很好地限制硅粒子膨脹，作為負(fù)極材料應(yīng)用時，鋰離子電容器或鋰離子電池在循環(huán)過程中容量衰減較快；

(3)現(xiàn)有的硅碳復(fù)合材料制備過程中的還原方法會引入雜質(zhì)，工藝較為復(fù)雜。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一方面，本發(fā)明提供一種硅氣凝膠/微膨石墨復(fù)合材料，所述復(fù)合材料以微膨石墨為基材，硅氣凝膠插層在微膨石墨中，比表面積為200～600m²/g。