[發明專利]一種原位碳包覆的二氧化硅碳復合材料制備方法及其應用

在審

• 申請號: 201911355441.2
• 申請日: 2019-12-25
• 公開（公告）號: CN111029554A
• 公開（公告）日: 2020-04-17
• 發明（設計）人: 胡培;徐杉;史德友
• 申請（專利權）人: 湖北萬潤新能源科技發展有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種原位碳包覆的二氧化硅碳復合材料制備方法及其應用，該方法包括以下幾個步驟：將碳源、表面活性劑、堿液混合溶解，加入有機硅源，攪拌，轉移溶液至反應釜中高溫高壓進行水熱反應，得到黑色沉淀干燥，干燥物置于爐中，通入保護氣高溫下反應，得到產物為二氧化硅碳復合材料。該發明工藝簡單易行，原料豐富廉價，得到二氧化硅材料顆粒均一分布，碳包覆均勻，導電性強，可以應用到鋰電池負極材料領域。

技術領域

本發明屬于新能源材料制備技術領域，特別涉及原位碳包覆的二氧化硅碳復合材料制備方法。

背景技術

提高動力電池比能量，是解決現階段電動汽車“里程焦慮”的最有效途徑。權威資料顯示，鋰離子動力電池要在2020要達到300 W·h/kg的發展目標，目前唯一可行的技術路線是：高鎳三元正極材料NCM 811、NCA或富鋰錳基配合硅基負極材料。

研究表明，負極材料的比容量每增加500 mA·h/g，鋰離子電池的比能量可提高15%。硅基負極材料的理論比容量最高可達4200 mA·h/g，是傳統石墨負極容量的10倍，而且具有儲量豐富、成本低廉、環境友好等優勢，是高比能量鋰離子電池負極材料的首選?？捎米髫摌O的硅基材料包括：硅單質(Si)、氧化亞硅(SiO)、二氧化硅(SiO₂)、碳化硅(SiC)等，其中氧的引入可顯著提高硅基材料在鋰離子脫嵌過程中的穩定性。

常規的二氧化硅碳復合材料一般都是先采用干法或濕法如沉淀、溶膠-凝膠、水解法合成納米或微米級二氧化硅材料，在此基礎上進行碳包覆。這樣碳包覆得到的產物一般包覆不均勻，由于二氧化硅本身導電性差，后期碳包覆使得電池循環性能并沒有得到明顯改善。本發明的主要目的是原位碳包覆二氧化硅，在二氧化硅生長的基礎上包覆碳，使得材料整體導電性增強，縮短鋰離子在電池中的傳輸路徑。碳包覆在材料充放電過程中縮漲時維持了材料的穩定結構，增強材料的循環性能。

發明內容

本發明目的是提供一種原位碳包覆的二氧化硅碳復合材料制備方法，提高二氧化硅碳復合材料的倍率性能、循環性能和穩定性能，通過原位碳包覆，達到提高二氧化硅碳復合材料的導電性及循環穩定性的目的。

為了達成上述目的，本發明的解決方案是：

1）將一定量分散劑、堿、碳源溶解于一定量溶劑中，形成溶液A；

2）將有機硅源分時間段逐次滴加入溶液A中，常溫攪拌，轉移至反應釜中高溫高壓進行水熱反應，得到黑色沉淀，將沉淀洗滌干燥，得到產物A；

3）將產物A置于爐中，通入保護氣，在一定溫度下反應一定時間后，得到產物B，產物B為二氧化硅碳復合材料。

所述分散劑為聚乙烯醇，聚丙烯酸，十二磺基磺酸鈉，聚乙烯吡咯烷酮，十六烷基三甲基溴化銨，十二磺基硫酸鈉中的一種或兩種以上，濃度為0.00004~0.00016 mol/L。

所述碳源為碳水化合物如葡萄糖，蔗糖，白砂糖中的一種或兩種以上，濃度為0.0015-0.006 mol/L。

所述溶劑為乙醇，異丙醇，乙醚，丙酮中的一種或兩種以上。

所述堿溶液為氫氧化鈉，氨水，氫氧化鉀中的一種或兩種以上，濃度為0.2~1.6mol/L。

所述有機硅源為正硅酸四乙酯，正硅酸甲酯，正辛基三乙氧基硅烷中的一種或兩種以上，濃度為0.05-0.4mol/L。

所采用的高溫高壓水熱法，使有機硅源在堿幫助水解下，加速形成二氧化硅，且同時加速葡萄糖分解成碳，均勻包覆在二氧化硅外部。

所述高溫高壓水熱法中，溫度在150-200℃，反應時間在5-12小時。

所述燒結過程中，采用惰性氣體為氮氣，氬氣，氫氬混合氣的一種或兩種以上。