一种快离子导体包覆多孔硅碳负极材料及其制备方法与流程

本发明涉及锂离子电池负极材料，尤其涉及一种快离子导体包覆多孔硅碳负极材料及其制备方法。

背景技术：

1、锂离子电池作为现代便携电子设备和电动汽车的重要能源，其能量密度和循环寿命一直是研究的重点。硅基负极材料因其理论比容量高达4200mah/g，是传统石墨负极的十倍，备受关注。然而，硅在充放电过程中体积变化显著，导致材料粉化和电极失效，严重影响循环寿命。为了克服这些问题，研究者们尝试通过纳米化硅、复合材料设计、以及表面包覆等方法来提升硅基负极的稳定性和导电性。尽管面临挑战，硅基负极材料在提升锂离子电池能量密度方面具有巨大的潜力和应用前景。

2、目前主要通过纳米化方式缓解si负极膨胀，将硅制成纳米球，纳米线等，但是常规的研磨法纳米化方式，si颗粒尺寸只能控制到100nm附近，同时过度纳米化过程也会伴随材料的比表面积变大，影响材料加工及性能。为了解决传统研磨法控制si颗粒尺寸的瓶颈，专利cn 116314791a以多孔碳为基体，通过硅烷沉积方式，获得纳米硅和软碳的硅碳复合材料，这种制备方法所用的无定形碳包覆层在高倍率充放电时可能无法提供足够的机械强度和导电性，导致电极结构被破坏；专利cn 116525805a公开了一种快离子导体包覆硅基复合材料及其制备方法。通过将硅氧材料，含锂粘结剂，碳纳米管均匀混合并喷雾干燥，得到前驱体材料，然后将前驱体材料通过等离子法在材料表面沉积快离子导体和无定形碳。其制备出的负极材料的电子电导率和离子电导率均得到了提升，但其设备价格昂贵、前驱体成本高、对样品处理能力有限等缺点限制了其应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种快离子导体包覆多孔硅碳负极材料及其制备方法，用以解决现有硅碳复合负极材料机械强度低、离子导电性差的技术问题。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种快离子导体包覆多孔硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将树脂在氮气气氛下进行预碳化，得到碳前驱体；

5、(2)将碳前驱体破碎后与碱进行固相混合，之后对混合物顺次进行活化处理和酸洗，得到多孔碳材料；

6、(3)将硅烷类化合物通过沉积反应在多孔碳材料表面制备纳米硅，得到纳米硅沉积多孔碳基底；

7、(4)在保护气气氛下通入碳源气对纳米硅沉积多孔碳基底进行化学气相沉积，得到硅烷沉积多孔碳复合材料；

8、(5)将硅烷沉积多孔碳复合材料、金属盐、磷酸盐溶液和碱性沉淀剂混合后顺次进行回流反应和煅烧处理，即得到快离子导体包覆多孔硅碳负极材料。

9、进一步的，所述步骤(1)中，树脂包含酚醛树脂、环氧树脂和糠醛树脂中的一种或几种，所述预碳化的温度为400～800℃，预碳化的时间为1～2h。

10、进一步的，所述步骤(2)中，碱包含氢氧化钾、氢氧化钠、强氧化钙、碳酸钾和碳酸钠中的一种或几种，所述碳前驱体破碎的粒度为2～50μm，所述碳前驱体和碱的质量比为1:1～5；

11、活化处理的温度为500～1000℃，活化处理的时间为1～4h。

12、进一步的，所述步骤(3)中，硅烷类化合物包含甲硅烷和/或乙硅烷，所述沉积反应在保护气下进行，所述保护气包含氮气、氩气和氦气中的一种或几种，所述硅烷类化合物和保护气的体积比为1:10～1:1，硅烷类化合物的流量为0.5～2l/min。

13、进一步的，所述步骤(3)中，沉积反应的温度为500～1000℃，沉积反应的时间为1～2h，所述硅烷类化合物中si骨架和多孔碳材料中c骨架的质量比为1:9～9:1。

14、进一步的，所述步骤(4)中，碳源气包含甲烷、乙烷、丙烷、乙炔和丙炔中的一种或几种，所述保护气包含氮气、氩气和氦气中的一种或几种，所述碳源气和保护气的体积比为1:10～1:1，碳源气的流量为0.5～2l/min；所述化学气相沉积的温度为500～1000℃，时间为1～3h。

15、进一步的，所述步骤(5)中，金属盐包含氯化盐、硝酸盐、硫酸盐和有机酸盐中的一种或几种；所述磷酸盐溶液包含磷酸二氢钠溶液、磷酸二氢氨溶液、磷酸氢二钠溶液和磷酸氢二氨溶液中的一种或几种，所述碱性沉淀剂包含氨水、乙醇胺、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或几种。

16、进一步的，所述步骤(5)中，混合在有机溶剂中进行，所述有机溶剂包含甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙二醇、正丁醇、乙腈和丙酮中的一种或几种；

17、在混合体系中，所述金属盐的浓度为10-6～1.0mol/l，所述硅烷沉积多孔碳复合材料的浓度为0.1～1000g/l，磷酸盐溶液的浓度为10-6～5mol/l，碱性沉淀剂的浓度为10-6～10mol/l。

18、进一步的，所述步骤(5)中，回流反应的温度为10～200℃，回流反应的时间为2～5h；

19、煅烧处理的温度为100～600℃，煅烧处理的时间为1～5h。

20、本发明提供了一种快离子导体包覆多孔硅碳负极材料。

21、本发明的有益效果：

22、(1)本发明采用化学活化法制备了高孔容多孔碳材料，并通过硅烷在孔隙内原位沉积生成纳米硅。由于高孔容多孔碳提供了丰富的沉积位点，这显著增加了材料中的硅含量，从而有效提高了电极的容量。

23、(2)本发明利用磷源与金属盐共沉淀的方法在硅碳负极材料表面实现了二次包覆。本发明的方法简便易行、条件温和、普适性广，环境友好，适合工业化生产。本发明的方法利用化学反应在硅碳负极材料表面原位生长了一层均匀且连续的快离子导体包覆层。该包覆层不仅能够阻止负极活性材料与电解质溶液的直接接触，从而减少副反应，还能通过加快锂离子的扩散速度显著提升负极材料的循环性能和倍率性能。

技术特征：

1.一种快离子导体包覆多孔硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，树脂包含酚醛树脂、环氧树脂和糠醛树脂中的一种或几种，所述预碳化的温度为400～800℃，预碳化的时间为1～2h。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，碱包含氢氧化钾、氢氧化钠、强氧化钙、碳酸钾和碳酸钠中的一种或几种，所述碳前驱体破碎的粒度为2～50μm，所述碳前驱体和碱的质量比为1:1～5；

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，硅烷类化合物包含甲硅烷和/或乙硅烷，所述沉积反应在保护气下进行，所述保护气包含氮气、氩气和氦气中的一种或几种，所述硅烷类化合物和保护气的体积比为1:10～1:1，硅烷类化合物的流量为0.5～2l/min。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，沉积反应的温度为500～1000℃，沉积反应的时间为1～2h，所述硅烷类化合物中si骨架和多孔碳材料中c骨架的质量比为1:9～9:1。

6.根据权利要求1或2或4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，碳源气包含甲烷、乙烷、丙烷、乙炔和丙炔中的一种或几种，所述保护气包含氮气、氩气和氦气中的一种或几种，所述碳源气和保护气的体积比为1:10～1:1，碳源气的流量为0.5～2l/min；所述化学气相沉积的温度为500～1000℃，时间为1～3h。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，金属盐包含氯化盐、硝酸盐、硫酸盐和有机酸盐中的一种或几种；所述磷酸盐溶液包含磷酸二氢钠溶液、磷酸二氢氨溶液、磷酸氢二钠溶液和磷酸氢二氨溶液中的一种或几种，所述碱性沉淀剂包含氨水、乙醇胺、氢氧化钠和氢氧化钾中的一种或几种。

8.根据权利要求1或7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，混合在有机溶剂中进行，所述有机溶剂包含甲醇、乙醇、乙二醇、丙醇、异丙醇、丙二醇、正丁醇、乙腈和丙酮中的一种或几种；

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中，回流反应的温度为10～200℃，回流反应的时间为2～5h；

10.权利要求1～9任意一项所述的制备方法制备得到的快离子导体包覆多孔硅碳负极材料。

技术总结本发明提供了一种快离子导体包覆多孔硅碳负极材料及其制备方法，属于锂离子电池负极材料技术领域。本发明将树脂在氮气气氛下进行预碳化，得到碳前驱体；将碳前驱体破碎后与碱进行固相混合，之后对混合物顺次进行活化处理和酸洗，得到多孔碳材料；将硅烷类化合物通过沉积反应在多孔碳材料表面制备纳米硅，得到纳米硅沉积多孔碳基底；在保护气气氛下通入碳源气对纳米硅沉积多孔碳基底进行化学气相沉积，得到硅烷沉积多孔碳复合材料；将硅烷沉积多孔碳复合材料、金属盐、磷酸盐溶液和碱性沉淀剂混合后顺次进行回流反应和煅烧处理，即得到快离子导体包覆多孔硅碳负极材料。本发明制备的快离子导体包覆硅烷沉积多孔碳负极材料的结构稳定、容量高、循环性能好。技术研发人员：李胜,刘罗,赖桂棠,方斌,黄世强,毛苗苗,曹恩德,王港受保护的技术使用者：银硅（宁波）科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/14