[發明專利]一種碳化硅包覆的空心硅材料、其制備方法以及使用該材料的電極和電化學裝置

有效

• 申請號: 201910650487.0
• 申請日: 2019-07-18
• 公開（公告）號: CN112242504B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 邱新平;張文廣;徐涵穎;鄭曦;李慧玉
• 申請（專利權）人: 北京清創硅谷科技有限公司;清華大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京金信知識產權代理有限公司 11225
• 代理人: 夏東棟;錢程

本公開涉及一種碳化硅包覆的空心硅材料，其特征在于，該材料包括空心硅顆粒，以及包覆在空心硅顆粒上的碳化硅致密層。根據本公開的方法，通過在空心硅外層沉積碳化硅，限制了體積向外膨脹，同時空心結構為材料提供了向內膨脹的空間，從而抑制了硅負極材料外觀體積變化問題，顯著提高了電池的循環壽命。本公開合成的碳化硅薄膜均勻、致密。而且本公開的合成工藝簡單，易于產業化。

技術領域

本公開涉及一種碳-硅復合材料。具體而言，本公開涉及一種碳化硅包覆的空心硅材料、其制備方法的新型合成方法以及使用該材料的電極和電化學裝置。

背景技術

在鋰離子電池充放電過程中，硅負極材料存在較大的體積膨脹和收縮，所以不可避免地會引起負極片活性物質從銅箔集流體上脫落，從而導致電池容量衰減較快。

為了解決鋰離子電池充放電過程中負極材料的體積變化問題，研究人員已做了許多改進，如將其制備成納米顆粒或者空心顆粒等。但這些方法仍存在一些問題。因此，仍需要一種保持硅負極材料的電化學性能的同時，改善其體積變化的方法。

發明內容

本發明的一個目的是提供一種碳化硅包覆的空心硅材料。

本發明的另一個目的是提供一種所述碳化硅包覆的空心硅材料的制備方法。

本發明的另一個目的是提供一種使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制備的負極。

本發明的另一個目的是提供一種使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制備的電化學裝置。

根據本公開的一個實施方式，其提供了一種碳化硅包覆的空心硅材料，其特征在于，

該材料包括空心硅顆粒，以及包覆在空心硅顆粒上的碳化硅致密層。

在一些實施例中，所述空心硅的空腔的粒徑在10-50nm之間，該空心硅的粒徑在30-100nm之間，且空心硅上包覆的碳化硅致密層的厚度在2-5nm之間。

在一些實施例中，在該材料中，碳化硅致密層中的碳與碳化硅的重量比為13：87-33：67。

在一些實施例中，該材料的比表面積是15-20m²/g，優選17m²/g。

該碳化硅在通過單色鏡利用的銅輻射測量的X射線粉末衍射圖中，在35.5°±0.02°、60°±0.02°、72°±0.02°的衍射角(2θ)處有特征峰。

根據本公開的另一個實施方式，其提供了一種碳化硅包覆的空心硅材料的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟1：將空心硅顆粒放入反應爐內；

步驟2：在惰性氣體環境下，在1050-1150℃的條件下，基于空心硅的重量，通入5-10％重量的碳源氣體；

其中，所述碳源氣體選自CH₄、C₂H₂和CO的一種或多種。

在一些實施例中，步驟2中的碳源氣體為CH₄、C₂H₂和CO，同時需要通入一定量的氬氣或氮氣。

在一些實施例中，步驟2的持續時間是5-20min。

在一些實施例中，在碳源氣體中包含的CO含量超過40％時，在步驟2中還同時通入相當于CO含量的25％的量的H₂。

根據本公開的另一個實施方式，其提供了一種使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制備的負極。

根據本公開的另一個實施方式，其提供了一種使用所述碳化硅包覆的空心硅材料制備的電化學裝置。