[發明專利]一種碳基復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202210852669.8
• 申請日: 2022-07-20
• 公開（公告）號: CN114920589B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 湖南泰坦未來科技有限公司
• 主分類號: C04B41/89
• 分類號: C04B41/89;C04B35/83;F27B14/10;C23C16/26;H01M4/04
• 代理公司: 長沙朕揚知識產權代理事務所(普通合伙) 43213
• 代理人: 郭蓓霏

本發明公開了一種碳基復合材料及其制備方法和應用，碳基復合材料包括依次疊加設置的碳?碳復合材料層、碳化鋯層和熱解石墨層，可用于制作硅碳負極材料制備用的坩堝。制備方法包括：（1）制備或取用碳?碳復合材料層；（2）在碳?碳復合材料層表面沉積形成碳化鋯層；（3）在碳化鋯層表面沉積形成熱解石墨層。本發明的碳基復合材料具有高強度、低密度、低熱膨脹系數、低熱導率、高強度、高耐受、表面低灰分的優勢，本發明獲得了致密度高的碳化鋯層，增強了各層之間、與基體之間的結合強度，從而提升了碳基復合材料的整體力學性能，并縮短了制備周期、降低了制備成本；所得產品在硅碳負極材料的純化工藝中能夠使用高達120爐次。

技術領域

本發明屬于復合材料技術領域，尤其是涉及一種碳基復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池主要由正極、負極、電解液、隔膜等部分構成，電極材料的脫嵌性能是決定鋰離子電池性能的關鍵因素。硅碳負極材料作為鋰離子電池的負極的前沿性材料，其理論容量4200mAh/g，是目前應用最多的石墨電極的10倍。為保證硅碳負極材料的性能，在制備過程中需要進行石墨化或純化處理。目前石墨化或純化工藝需要利用石墨坩堝作為載體，石墨的強度隨著溫度的上升而增加，當溫度超過2500℃時，其強度逐漸降低。石墨的部分性能如表1所示。

表1石墨材料的部分物理性能

石墨本身具有脆性，其機械強度和抗沖擊性較差。在硅碳負極材料制備過程中，高溫環境容易發生開裂，嚴重影響生產效率，提高了生產成本。

碳-碳復合材料是以炭纖維作為增強體，以炭質材料為基體，化學組成為單一碳元素的高溫結構材料。碳-碳復合材料具有密度小、比模量高、比強度大、熱膨脹系數低、比強度大、耐熱沖擊和摩擦磨損性能好等優異性能。在單晶硅領域已實現碳-碳復合材料坩堝替代石墨坩堝作為熱場材料，并取得顯著的效果。但碳-碳復合材料無論是通過化學氣相滲透增密，還是通過液相浸漬增密，材料仍然存在孔隙且灰分含量較高，不利于硅碳負極材料的石墨化或純化過程。

“炭/炭復合材料ZrC抗燒蝕涂層的制備方法，CN200810017791.3”公布了一種包埋法制備ZrC抗燒蝕涂層，主要用于碳基材料的熱防護領域。利用ZrC的熔點高、氧化產物ZrO₂熔融態粘度高、氧擴散速率低等特性，在2000℃以上的有氧環境抵抗燒蝕沖刷，抑制氧原子向基體擴散。ZrC具有高強度、高硬度的特性，碳基復合材料表面制備ZrC致密涂層能夠提高碳基復合材料的強度、封填碳基材料表面的孔隙，延長碳基復合材料坩堝的使用壽命。但ZrC作為碳基復合材料坩堝內壁在長時間高溫保溫階段容易與硅碳負極材料發生擴散，影響產物的純度。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，克服以上背景技術中提到的不足和缺陷，提供一種碳基復合材料及其制備方法和應用。

為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為：

一種碳基復合材料，包括依次疊加設置的碳-碳復合材料層、碳化鋯層和熱解石墨層。

上述技術方案的設計思路在于，本技術方案利用碳-碳復合材料具有高強度、低密度、低熱膨脹系數、低熱導率等優異性能，使碳基復合材料整體更輕、更薄、更貼合高溫差區間的使用要求，便于裝卸、轉運、降低勞動強度、提升空間利用率、保證尺寸和使用性能的穩定性，并通過設置碳化鋯層大幅度增加復合材料的機械強度、降低復合材料的熱導率，最后通過設置具有接近理論密度的、零孔隙率的、在高溫下具有極高的化學惰性和穩定性的熱解石墨層，一方面提高復合材料的整體剪切強度和力學性能，另一方面減少了表面灰分；通過在碳-碳復合材料表面設置不同的涂層獲得了高強度、低密度、低熱膨脹系數、低熱導率、高強度、高耐受、表面低灰分的碳基復合材料。

作為上述技術方案的進一步優選，所述碳-碳復合材料層的厚度為3~12mm，所述碳化鋯層的厚度為20~50μm，所述熱解石墨層的厚度為50~200μm。