一种硅碳负极材料的制备方法及硅碳负极材料与流程

本发明属于负极材料领域，尤其涉及一种硅碳负极材料的制备方法及硅碳负极材料。

背景技术：

1、锂电池中负极作为第二大主材，由于正极材料短期无法提升克容量天花板，负极材料克容量提升成为提升电池能量密度的关键贡献因素。硅基负极材料具有理论容量(4200mah/g)高的特点，在市场上广受追捧。然而，硅基负极材料成本高、重放电过程中体积膨胀严重，严重限制了硅基负极材料的应用。

2、石墨烯是一种只有一个原子厚度的仅由碳原子组成的蜂窝状结构的二维纳米材料。作为一种已经实现产业化制备的纳米材料，具有高强度和良好的韧性，理论杨氏模量达1.0tpa，固有的拉伸强度为130gpa。同时，石墨烯具有良好的导电性，在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/(v·s)，这一数值超过了硅材料的10倍，是已知载流子迁移率最高的物质锑化铟(insb)的两倍以上，是一种具有良好的应用前景的负极辅材。目前，有大量的关于石墨烯包覆硅负极材料的制备探索，能够有效缓解硅基材料的膨胀。

3、然而，完美的石墨烯包覆在硅基材料表面会阻挡锂离子的嵌入，导致硅基负极材料充放电性能差，容量降低。同时，石墨烯的比表面积为2300m2/g，无论是用cvd法对硅进行气相包覆还是用化学方法对硅进行包覆都会出现硅碳负极材料比表过大的现象，会消耗大量的电解液导致首次容量降低。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提供了一种硅碳负极材料的制备方法，所述方法能够有效地解决完美的石墨烯包覆硅材料导致的容量下降问题，以及因比表面积过大消耗过量的电解液而造成首次容量低的问题。

2、本发明具体方案如下：

3、本发明提供了一种硅碳负极材料的制备方法，包括：s1、将氧化石墨烯-硅纳米颗粒、石墨、沥青混合，得到混合物料；s2、对混合物料进行连续包覆碳化处理：先将混合物料升温至400℃-800℃，保温3-10h；再升温至碳化温度，保温，冷却；s3、将连续包覆碳化后的物料进行石墨化处理，得到。

4、优选地，s1中，氧化石墨烯-硅纳米颗粒、石墨、沥青的质量比为10-30:10-30:0.5-2。

5、优选地，s1中，氧化石墨烯-硅纳米颗粒的制备方法包括：将硅粉分散于水中，加入硅烷偶联剂，得到纳米硅悬浮液；将氧化石墨烯分散于纳米硅悬浮液中，经喷雾干燥得到。

6、优选地，s2中，连续包覆碳化处理在连续包覆碳化炉中进行。

7、优选地，s2中，混合物料先在包覆炉中以2-5℃/min升温速率将温度升至400-800℃，保温后进入碳化炉，以5-20℃/min升温速率将温度升至碳化温度，氮气作为保护气。

8、优选地，碳化温度为500-1000℃，保温时间为3-10h。

9、优选地，s3中，石墨化处理的温度为2800-3200℃，保温时间为5-10h。

10、优选地，以30-50℃/min的升温速率将温度升至石墨化处理温度。

11、优选地，所述石墨为人造石墨。

12、本发明还提供了一种硅碳负极材料，采用以上任一项方法制备得到。

13、本发明有益效果为：

14、本发明提供的硅碳负极材料的制备方法，以硅基材料作为负极材料、沥青作为粘结剂，将氧化石墨烯-硅基纳米颗粒与石墨、沥青混合后进行包覆碳化，高温下氧化石墨烯会发生分解，气体溢出，在还原得到石墨烯的同时使其呈现疏松的海绵状，并在其表面形成空洞，不仅不会阻挡锂离子的嵌入，反而有效地提高了倍率性能，并且最外层的无定型碳能够有效的降低比表面积，有效提高了硅碳负极材料的性能。除此之外，本发明将石墨在s1中引入，能够有效提高倍率性能，同时使硅碳颗粒分布的更加均匀。

技术特征：

1.一种硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，包括：s1、将氧化石墨烯-硅纳米颗粒、石墨、沥青混合，得到混合物料；s2、对混合物料进行连续包覆碳化处理：先将混合物料升温至400℃-800℃，保温3-10h；再升温至碳化温度，保温，冷却；s3、将连续包覆碳化后的物料进行石墨化处理，得到。

2.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，s1中，氧化石墨烯-硅纳米颗粒、石墨、沥青的质量比为10-30:10-30:0.5-2。

3.根据权利要求1或2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，s1中，氧化石墨烯-硅纳米颗粒的制备方法包括：将硅粉分散于水中，加入硅烷偶联剂，得到纳米硅悬浮液；将氧化石墨烯分散于纳米硅悬浮液中，经喷雾干燥得到。

4.根据权利要求1或2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，s2中，s2中，连续包覆碳化处理在连续包覆碳化炉中进行。

5.根据权利要求4所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，s2中，混合物料先在包覆炉中以2-5℃/min升温速率将温度升至400-800℃；保温后进入碳化炉，以5-20℃/min升温速率将温度升至碳化温度。

6.根据权利要求1或2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，碳化温度为500-1000℃，保温时间为3-10h。

7.根据权利要求1或2所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，s3中，石墨化处理的温度为2800-3200℃，保温时间为5-10h。

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，以30-50℃/min的升温速率将温度升至石墨化处理温度。

9.根据权利要求1所述的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于，所述石墨为人造石墨。

10.一种硅碳负极材料，其特征在于，采用权利要求1-9任一项方法制备得到。

技术总结
本发明公开了一种硅碳负极材料的制备方法，包括：S1、将氧化石墨烯‑硅纳米颗粒、石墨、沥青混合，得到混合物料；S2、对混合物料进行连续包覆碳化处理：先将混合物料升温至400℃‑800℃，保温3‑10h；再升温至碳化温度，保温，冷却；S3、将连续包覆碳化后物料进行石墨化处理，得到。所述方法能够有效地解决完美的石墨烯包覆硅材料导致的容量下降问题，以及因比表面积过大消耗过量的电解液而造成首次容量低的问题。

技术研发人员：慈蒙蒙,常元钦,苗月珍,张建忠,徐涛,江国庆,严烁,黄升政,刘超,时兰钱,王莉,王如秀,何慧娟
受保护的技术使用者：合肥国轩新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15