[發明專利]一種改性多孔硅碳復合材料

有效

• 申請號: 201911090268.8
• 申請日: 2019-11-08
• 公開（公告）號: CN112786847B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 和百正;和明剛
• 申請（專利權）人: 焦作聚能能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 郭佳效

本發明屬于儲能材料技術領域，具體涉及一種改性多孔硅碳復合材料。本發明的改性多孔硅碳復合材料由相變復合材料對多孔硅碳復合材料表面修飾制得；其中所述多孔硅碳復合材料由包括以下步驟的方法制備：將硅凝膠、雙氧水、氧化石墨烯、苯胺類化合物與水混合后進行水熱反應，然后固液分離，得固體，然后對所得固體進行冷凍干燥；所述苯胺類化合物為苯胺或烷基取代的苯胺；相變復合材料包括相變材料、分散劑和導電碳。本發明的改性多孔硅碳復合材料作為負極材料時，具有較好的循環穩定性以及倍率性能；并且表面的相變材料能夠在溫度過高時吸收熱量，從而提高了安全性能。

技術領域

本發明屬于儲能材料技術領域，具體涉及一種改性多孔硅碳復合材料。

背景技術

硅材料以其比容量高、來源廣泛、價格低廉等優點而有望取代石墨類負極材料，但是硅材料的導電率較差，并且在充放電過程中存在嚴重的體積效應，體積膨脹高達400％，在膨脹過程中產生的機械作用力致使電極結構破壞和硅材料粉化失效，從而影響了電池的循環性能和倍率性能。

目前，常通過將硅材料與其他材料如碳材料復合的方式來提高硅材料的性能。如公告號為CN105226285B的中國專利文件中公開了一種多孔硅碳復合材料及其制備方法，主要是通過硅-活潑金屬合金與液相造孔劑反應并且采用氫氟酸清洗，之后經聚合物包覆、高溫煅燒得到多孔硅碳復合材料。該多孔硅碳復合材料具有較好的比容量及循環性能，但是其孔徑大小難以精確控制，使得材料的一致性較差；并且在該復合材料在鋰離子電池中使用時，當電池溫度升高時仍存在安全隱患。

發明內容

本發明的目的還在于提供一種改性多孔硅碳復合材料，采用該改性多孔硅碳復合材料的鋰離子電池具有較好的安全性能。

為實現上述目的，本發明的改性多孔硅碳復合材料采用的技術方案為：

一種改性多孔硅碳復合材料，由相變復合材料對多孔硅碳復合材料表面修飾制得；所述多孔硅碳復合材料由包括以下步驟的方法制備：將硅凝膠、雙氧水、氧化石墨烯、苯胺類化合物與水混合后進行水熱反應，然后固液分離，得固體，然后對所得固體進行冷凍干燥；所述苯胺類化合物為苯胺或烷基取代的苯胺；所述相變復合材料包括相變材料、分散劑和導電碳。

在多孔硅碳復合材料的制備過程中，所用雙氧水為具有弱氧化性，能夠使氧化石墨烯表面更多的羧基和/或羥基，并且不會破壞氧化石墨烯的結構。所用苯胺類化合物作為氮源，其中的氨基能夠與氧化石墨烯表面的羧基或羥基作用形成穩定的結構，并且苯環結構有利于電子傳輸，從而能夠提高多孔硅碳復合材料的電子導電性。優選的，苯胺類化合物為烷基取代的苯胺。烷基取代的苯胺中的烷基取代基中碳原子個數為1～3。烷基取代的苯胺可以為單取代也可以為多取代。優選的，所述烷基取代的苯胺為均三甲基苯胺。

在多孔硅碳復合材料的制備過程中，通過水熱反應將硅凝膠、氧化石墨烯以及苯胺類化合物均勻地混合，形成均一的水熱反應產物，提高了材料的結合力以及一致性；采用冷凍干燥法可以在保持材料結構的同時增加材料的孔洞。因此得到的多孔硅碳復合材料為具有多孔結構的摻氮氧化石墨烯與硅化合物的復合體，多孔結構的存在能夠降低硅的膨脹率，從而提高了循環穩定性；其中摻氮氧化石墨烯作為碳材料具有較好的導電性，從而提高了倍率性能。

本發明通過在多孔硅碳復合材料表面修飾相變復合材料得到改性多孔硅碳復合材料，相變復合材料中的相變材料能夠在溫度升高時吸收熱量，并且相變復合材料中的導電碳進一步提高了材料的導電性。因此，本發明的改性多孔硅碳復合材料作為電池的負極材料使用時，具有較好的循環穩定性以及倍率性能，并且在電池溫度過高時由于相變材料的存在能夠降低電池的熱失控機率，從而具有較好的安全性能。在電池溫度升高時，相變材料的阻抗增加，防止電池中的某些熱失控點擴大形成整體熱失控，同時相變材料有助于提高改性多孔硅碳復合材料形成的SEI中無機鋰的比例，提高SEI膜的耐高溫性能，提高材料的耐高溫性能，從而提高安全性能。