[發明專利]一種納米硅碳復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910977358.2
• 申請日: 2019-10-15
• 公開（公告）號: CN110660984B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 劉柏男;羅飛;李泓
• 申請（專利權）人: 溧陽天目先導電池材料科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 北京慧誠智道知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11539
• 代理人: 李楠

1.一種納米硅碳復合材料，其特征在于，所述納米硅碳復合材料包括：表面氣相沉積硅基材料的碳納米材料，以及外部包覆的經物理除磁處理的碳包覆層；

所述硅基材料為由硅和二氧化硅復合生成的存在彌散分布的硅微晶結構的氧化亞硅，或者由硅、二氧化硅和金屬摻雜元素或所述金屬摻雜元素的氧化物復合生成的存在彌散分布的硅基合金微晶結構的改性氧化亞硅；

所述碳納米材料包括碳黑、碳纖維、石墨烯、單壁碳管、多壁碳管和納米石墨等中的一種或幾種的組合；所述碳納米材料的平均粒徑為1-5000nm；

所述金屬摻雜元素包括B、Al、Na、Mg、Ca、Ba、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Li、Mo、Ge、Sn中的一種或幾種；

所述硅微晶結構或者硅基合金微晶結構的顆粒尺寸為1-50nm；

所述納米硅碳復合材料在鋰電池循環后仍然保持原有結構，其中，循環后，硅基材料仍然附著在碳材料表面，脫嵌鋰后硅基材料的組成為金屬硅、鋰硅合金、摻雜的金屬硅、摻雜的鋰硅合金、硅酸鋰，氧化鋰、復合硅酸化合物、復合氧化物中的一種或者幾種復合而成；外層為碳包覆層以及與鋰電池循環副反應產生的固態電解質界面SEI膜的復合材料。

2.根據權利要求1所述的納米硅碳復合材料，其特征在于，所述納米硅碳復合材料中，所述碳納米材料的質量分數為10％-90％，所述硅基材料的質量分數為1％-80％，所述碳包覆層的質量分數為1％-30％；

其中，所述硅基材料中硅元素的質量分數為40％-80％，氧元素的質量分數為10％-60％；所述金屬摻雜元素的質量分數為0％-40％。

3.一種上述權利要求1-2任一所述的納米硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述方法包括：

步驟1，在真空條件下，將硅和二氧化硅，或硅、二氧化硅和金屬摻雜元素或金屬摻雜元素的氧化物按所需比例混合均勻后，在真空爐中加熱至1000-2000攝氏度，并通過溫度為200-700攝氏度的碳納米材料沉積硅基材料；

步驟2，對步驟1所得材料進行碳包覆；

步驟3，對步驟2所得材料進行物理除磁處理。

4.根據權利要求3所述的納米硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述碳包覆具體為：

按所需質量比向所述真空爐內通入氣態的碳源，在700-1100攝氏度下碳化處理，以對步驟1所得材料進行碳包覆；或者，

將步驟1所得材料與液態或者固態的碳源通過液相混合或固相混合后，在700-1100攝氏度下進行熱處理，以對步驟1所得材料進行碳包覆。

5.根據權利要求3所述的納米硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述硅和二氧化硅的摩爾比為1:2-2:1。

6.根據權利要求3所述的納米硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述硅基材料為20-2000nm的氧化亞硅或改性氧化亞硅的顆粒或薄膜；

所述碳納米材料包括碳黑、碳纖維、石墨烯、單壁碳管、多壁碳管和納米石墨等中的一種或幾種的組合；所述碳納米材料的平均粒徑為1-5000nm。

7.根據權利要求4所述的納米硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述氣態的碳源為甲苯、甲烷和乙炔中的一種或多種混合；所述液態或者固態的碳源為糖、瀝青或高分子聚合物。

8.根據權利要求7所述的納米硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，所述糖為葡萄糖，所述瀝青為石油瀝青或中間相瀝青，所述聚合物為酚醛樹脂或聚丙烯腈。

9.一種鋰離子電池負極材料，其特征在于，所述負極材料包括上述權利要求1或2所述的納米硅碳復合材料；

其中，所述納米硅碳復合材料占所述鋰離子電池負極材料的質量百分比大于2％；

所述鋰離子電池負極材料的充電比容量為400mAh/g-1500mAh/g。

10.一種鋰電池，其特征在于，所述鋰電池包括上述權利要求1或2所述的納米硅碳復合材料。