多孔碳材料及硅碳负极材料的制备方法与流程

本发明涉及负极材料领域技术，尤其是指一种多孔碳材料及硅碳负极材料的制备方法。

背景技术：

1、随着人类工业化进程的发展，传统的化石能源消耗逐渐增多，尾气排放污染严重与石油资源日益枯竭，中国汽车行业在新能源纯电动的开发与应用方面探索了一片天地。其中锂离子电池凭借优异的性能，在所有电池中斩落头角，因为其电压高、寿命长体积小；重量轻、比能量大无记忆效应；自放电小、使用时间长；安全性能好、可快速充电、工作温度范围宽的特点，被动力电池视为主流类型电池。负极材料作为锂离子电池的核心组成部分之一，直接影响电池的性能，但随着锂电池的发展负极原材料的价格不断上涨，硅材料受到广泛关注。

2、硅材料在地球上储量极为丰富，使用硅做原材料成本更低，硅负极电池比普通锂电池单位容量高10倍以上充电速度快。同时，硅负极电池在充电时体积会膨胀3-4倍，导致电池容量快速衰减，，并且，在制备时，硅容易只沉积在基体的表面，最终导致其电化学性能差，使得硅材料不能在锂电池领域广泛推广应用。因此，有必要提出一种新的方案让硅材料可以更好应用于锂电池领域。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种多孔碳材料及硅碳负极材料的制备方法，其通过以二氧化碳为碳源制得多孔碳材料，再以该多孔碳材料为硅碳前驱体，制备硅碳负极材料，解决现有硅碳负极材料容易发生体积膨胀，硅只能沉积在基体表面，最终导致其电化学性能差等问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

3、一种多孔碳材料的制备方法，包括有以下步骤：

4、(1)热还原：将活性金属条放置管式炉中，通入保护气氛，保护气氛的流速为1000-3000sccm，通入二氧化碳气体，二氧化碳的流速为5000-8000sccm，并以5-10℃/min的升温速率升温至500-800℃后，保温4-10h；

5、(2)刻蚀：向管式炉中通入刻蚀材料气体，持续时间为1-3h，然后，自然降温至室温，得到含杂质的多孔碳材料；

6、(3)酸洗刻蚀提纯：将步骤(2)得到的含杂质的多孔碳材料，置于酸溶液中，进行进一步刻蚀和纯化；得到纯化后的多孔碳材料；

7、(4)喷雾干燥：将步骤(3)得到的纯化后的多孔碳材料通过喷雾干燥器进行，得到多孔碳材料。

8、作为一种优选方案，所述步骤(1)中的活性金属条为镁材质、铝材质、钾材质、钠材质或钙材质中的一种。

9、作为一种优选方案，所述步骤(1)中的保护气氛为氩气、氦气中的至少一种。

10、作为一种优选方案，所述步骤(2)中的刻蚀材料气体为二氧化碳、水蒸气中的一种或两种的混合气体。

11、作为一种优选方案，所述步骤(3)中的酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、甲酸、乙酸、碳酸乙烯脂、磷酸、次氯酸、硼酸中的一种或两种以上的混合溶液，且其浓度小于5mol/l。

12、作为一种优选方案，所述步骤(4)中的多孔碳材料的d50为5-8μm，其比表面积为1000-2000㎡/g。

13、一种硅碳负极材料的制备方法，其将前述的多孔碳材料置于通有载气的快速cvi气相沉积炉中，载气的流速为10000-15000sccm，并以5-10℃/min的升温速率升温至500-550℃，通入硅烷气体，硅烷气体的流速为2000-5000sccm，保温4-6h，继续升温至550-600℃，通入碳源气体，碳源气体的流速为1000-5000sccm，沉积反应1-3h，保温时间为2-4h，除磁筛分后得到硅碳负极材料。

14、作为一种优选方案，所述载气为氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上的混合气体。

15、作为一种优选方案，所述碳源气体为乙炔、丙烯、乙烯、苯乙烯、丙烷中的一种。

16、本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：

17、多孔碳采用大气中极其丰富的二氧化碳为原材料，通过热反应还原制备，具备成本低廉、易获取等优势，同时，该方法制备的多孔碳内部空隙分布均匀，优异的骨架结构，为纳米硅原位生长提供了优异的内部环境，是制备硅碳负极的理想材料；另外，本发明制备的硅碳负极材料通过硅烷裂解在多孔碳空隙内原位生长，在通过热解碳包覆多孔碳和纳米硅颗粒，有效实现了对多孔碳孔隙的填充，极大抑制硅材料的体积膨胀，提升材料了电化学性能，以及，也是首次使用二氧化碳制备的多孔碳为硅碳负极前驱体，制备硅碳负极材料

18、为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明：

技术特征：

1.一种多孔碳材料的制备方法，其特征在于：包括有以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的活性金属条为镁材质、铝材质、钾材质、钠材质或钙材质中的一种。

3.根据权利要求1所述的多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的保护气氛为氩气、氦气中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的刻蚀材料气体为二氧化碳、水蒸气中的一种或两种的混合气体。

5.根据权利要求1所述的多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、甲酸、乙酸、碳酸乙烯脂、磷酸、次氯酸、硼酸中的一种或两种以上的混合溶液，且其浓度小于5mol/l。

6.根据权利要求1所述的多孔碳材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的多孔碳材料的d50为5-8μm，其比表面积为1000-2000㎡/g。

7.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：将权利要求1-6任一项所述的多孔碳材料置于通有载气的快速cvi气相沉积炉中，载气的流速为10000-15000sccm，并以5-10℃/min的升温速率升温至500-550℃，通入硅烷气体，硅烷气体的流速为2000-5000sccm，保温4-6h，继续升温至550-600℃，通入碳源气体，碳源气体的流速为1000-5000sccm，沉积反应1-3h，保温时间为2-4h，除磁筛分后得到硅碳负极材料。

8.根据权利要求7所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述载气为氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上的混合气体。

9.根据权利要求7所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述碳源气体为乙炔、丙烯、乙烯、苯乙烯、丙烷中的一种。

技术总结本发明公开了一种多孔碳材料及硅碳负极材料的制备方法。多孔碳材料以二氧化碳为碳源，通过热反应还原制备，硅碳负极材料以该多孔碳材料为硅碳前驱体，通过气相沉积方法制备。多孔碳材料制备方法包括如下步骤：热反应还原、刻蚀、酸洗提纯、喷雾干燥。硅碳负极材料以本发明制备的多孔碳材料为前驱体，通过前驱体基体实现硅颗粒原位生长后，再热解碳源气体制得。本发明的创新点之一在于用极少数人关注的二氧化碳还原成功能性碳材料作为硅碳负极材料的前驱体，制备硅碳负极材料。本发明所制备的硅碳负极材料有效抑制硅的体积膨胀、具备循环性能良好，首次充放电容量高等优点，同时工艺相对简单，适用于大规模量产。技术研发人员：白宇,宋宏芳,张元辉,滕克军,赵东辉受保护的技术使用者：上海翔丰华科技发展有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/2