[發(fā)明專利]雙層碳包覆結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2020-03-02
• 公開（公告）號: CN111342010B
• 公開（公告）日: 2021-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉東海;張勃;高學(xué)森;李金來
• 申請（專利權(quán)）人: 新奧石墨烯技術(shù)有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京清亦華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 肖陽

本發(fā)明公開了雙層碳包覆結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，其中，該硅碳復(fù)合材料包括：硅內(nèi)核、碳包覆層和石墨烯包覆層或氮摻雜石墨烯包覆層，其中，碳包覆層形成在硅內(nèi)核的外表面上，石墨烯包覆層或氮摻雜石墨烯包覆層形成在碳包覆層的外表面上，并且石墨烯包覆層或氮摻雜石墨烯包覆層與碳包覆層之間形成預(yù)留空間。由此，該碳硅復(fù)合材料作為電極材料時(shí)可以有效緩沖硅物質(zhì)在充放電過程中的體積膨脹問題，從而改善其作為電極材料的電化學(xué)性能，進(jìn)而提高鋰電池的比容量和循環(huán)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于碳材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙層碳包覆結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

目前，鋰離子電池主要采用石墨類碳材料作為負(fù)極活性物質(zhì)，但隨著電池對能量密度的要求逐漸提高，石墨負(fù)極的性能發(fā)揮接近極限，新型的鋰電負(fù)極材料亟待開發(fā)。硅以其高理論容量(4200mAh/g)和低嵌鋰電位引起了人們的廣泛關(guān)注。然而硅的低電導(dǎo)率以及在充放電過程中嚴(yán)重的體積膨脹(＞300％)限制了硅在負(fù)極中的應(yīng)用。

因此，現(xiàn)有的負(fù)極材料有待改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種雙層碳包覆結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，該碳硅復(fù)合材料作為電極材料時(shí)可以有效緩沖硅物質(zhì)在充放電過程中的體積膨脹問題，從而改善其作為電極材料的電化學(xué)性能，進(jìn)而提高鋰電池的比容量和循環(huán)性能。

在本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種雙層碳包覆結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述硅碳復(fù)合材料包括：

硅內(nèi)核；

碳包覆層，所述碳包覆層形成在所述硅內(nèi)核的外表面上；

石墨烯包覆層或氮摻雜石墨烯包覆層，所述石墨烯包覆層或氮摻雜石墨烯包覆層形成在所述碳包覆層的外表面上，并且所述石墨烯包覆層或氮摻雜石墨烯包覆層與所述碳包覆層之間形成預(yù)留空間。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的雙層碳包覆結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料，通過在硅內(nèi)核外表面上包覆碳包覆層，一方面可以彌補(bǔ)硅內(nèi)核導(dǎo)電率的不足，從而有效改善內(nèi)核的電子傳輸特性；再一方面避免該復(fù)合材料作為電極材料充放電過程中硅內(nèi)核的團(tuán)聚；同時(shí)在碳包覆層上形成石墨烯包覆層或氮摻雜石墨烯包覆層，并且在石墨烯包覆層或氮摻雜石墨烯包覆層與碳包覆層之間形成預(yù)留空間，該復(fù)合材料作為電極材料時(shí)可以有效緩沖硅物質(zhì)在充放電過程中的體積膨脹問題，從而改善其作為電極材料的電化學(xué)性能，進(jìn)而提高鋰電池的比容量和循環(huán)性能。

另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的雙層碳包覆結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料還可以具有如下附加的技術(shù)特征：

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，基于所述雙層碳包覆結(jié)構(gòu)的碳硅復(fù)合材料的總體積，所述預(yù)留空間體積占比為10～30％。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述硅內(nèi)核的粒徑為50nm～5μm。

在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述碳包覆層厚度為1～10nm。

在本發(fā)明的再一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種制備上述雙層碳包覆結(jié)構(gòu)的硅碳復(fù)合材料的方法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述方法包括：

(1)將碳源與含硅顆粒的溶液混合，并將混合溶液進(jìn)行噴霧干燥，得到的粉末顆粒置于惰性氣氛下進(jìn)行煅燒，以便得到碳包覆層的前驅(qū)體；

(2)將所述含有碳包覆層的前驅(qū)體材料進(jìn)行研磨，并將得到的研磨料分散于水中，得到分散料液，將所述分散料液與鎂鹽溶液和碳酸鹽溶液混合后進(jìn)行抽濾和洗滌，并將得到的固態(tài)物料分散在水中，得到分散漿料，然后將所述分散漿料進(jìn)行噴霧干燥，以便得到前驅(qū)體；