一种极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法与流程

本发明涉及硅碳负极材料，具体地说，涉及一种极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法。

背景技术：

1、在锂离子电池领域，硅碳复合负极材料因其高理论容量而备受关注。然而，硅负极材料在充放电过程中存在显著的体积膨胀问题，这限制了其循环稳定性和实际应用。为了解决这一问题，研究者们开发了多种硅碳复合结构，旨在通过引入多孔碳基质来缓冲硅的体积膨胀，并提高整体材料的电化学性能。

2、传统的化学气相沉积(cvd)方法被广泛应用于制备硅碳复合材料，因为它能够精确控制硅的沉积过程，尽管如此，现有的cvd硅碳材料在微孔结构的设计上仍存在挑战。现有技术的不足之处如下：

3、cvd硅碳高体积膨胀：现有技术中，例如专利公告号为：cn117577819a开发的一种硅碳复合负极材料及其制备方法和应用，这种高度紧密复合的结构大大改善了硅负极材料的循环和膨胀。但是基于该结构的硅碳材料仍无法满足电芯端对膨胀率的要求，微孔的存在提供了高能量位点和高比表面积，对硅烷分子有强吸附能力，但过强的吸附能力导致了纳米硅在孔隙中填充饱和，孔隙中预留空间的不足颗粒内部无法完全吸收纳米硅在嵌锂时的体积形变应力，在嵌锂循环后导致界面增厚甚至颗粒解体，从而导致活性物质的脱落，衰减电池的循环性能。

4、cvd介孔硅碳产气：有数据表明，介孔硅碳在一定程度上可以改善材料的首效、倍率性能，但介孔的引入降低多孔碳自身对硅烷气体的吸附力，导致材料比表面积较高，进一步引发产气等一系列问题。

5、鉴于此，亟需一种极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法来解决现有技术的不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤一、将(介孔搭配多孔碳，其中微孔率为40-70％，介孔率为30-60％，介孔尺寸为2-5nm)多孔碳放入流化床中，通入氮气，氮气流速5l/min排空至尾气含量小于100ppm，降低氮气流速为1l/min，5℃/min升温至450℃，保温30min，向流化床腔体内通入2l/min甲硅烷，载气使用氮气，全程流速设定为10l/min，优选的，甲硅烷的浓度为5-95％，通入200min；

4、步骤二、降低甲硅烷流量到1l/min，氮气流速为8l/min，保持300min；

5、步骤三、升温至600-800℃，打开乙炔，乙炔流速为1l/min，气相沉淀2h，制得硅碳复合材料。

6、本发明中，硅碳合成中，纳米硅填充的密室程度依赖于多孔碳的吸附力，对于多孔碳的吸附而言，微孔率越高吸附力越强，介孔吸附力弱因此无法完全填充满，引入介孔则可以降低介孔中纳米硅的填充率，从而预留体积膨胀的空间，降低极片层级的膨胀。

7、作为本技术方案的进一步改进，多孔碳基体采用生物质、煤基、树脂基、石油焦基中的一种，具体的：可采用椰壳、煤、沥青、酚醛树脂、稻壳制备多孔碳。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果：

9、该极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法中，由于微孔吸附能力远大于介孔，微介孔的搭配可以实现微孔吸附填硅，介孔无法饱和吸附因此预留了空间，从而缓解硅在嵌锂时的体积膨胀；渗硅前期低流速可以适当增加介孔对硅烷的吸附能力，在介孔中也填充一部分硅，避免硅材料在物理上的隔断，导致锂离子扩散受阻；后期高流速则加快了孔道的填堵闭合，降低材料的比表面积；其次，微介孔的搭配由于存在一定量的微孔，对材料比表面积的降低完全可控，避免了加工风险。

技术特征：

1.一种极低体积膨胀的高能量密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所述的极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述多孔碳的介孔尺寸为2-5nm。

3.根据权利要求1所述的极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，氮气流速5l/min排空至尾气含量小于100ppm，降低氮气流速为1l/min，5℃/min升温至450℃，保温30min。

4.根据权利要求3所述的极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，通入甲硅烷的流速为2l/min，全程流速设定为10l/min，通入200min。

5.根据权利要求4所述的极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中，降低甲硅烷流量到1l/min，氮气流速为8l/min，保持300min。

6.根据权利要求5所述的极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，升温至600-800℃，乙炔流速为1l/min，气相沉淀2h。

7.根据权利要求1所述的极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述多孔碳基体采用生物质、煤基、树脂基、石油焦基中的一种。

技术总结
本发明涉及硅碳负极材料技术领域，具体地说，涉及一种极低体积膨胀的高能量密硅碳负极材料的制备方法。其包括：步骤一、将微孔率为40‑70％，介孔率为30‑60％的多孔碳放入流化床中，通入氮气，降低氮气流速升温，向流化床腔体内通入甲硅烷，载气使用氮气；步骤二、降低甲硅烷流量；步骤三、气相沉淀，制得硅碳复合材料。本发明中，由于微孔吸附能力远大于介孔，微介孔的搭配可以实现微孔吸附填硅，介孔无法饱和吸附因此预留了空间，从而缓解硅在嵌锂时的体积膨胀；其次，微介孔的搭配由于存在一定量的微孔，对材料比表面积的降低完全可控，避免了加工风险。

技术研发人员：杨金同,许峰
受保护的技术使用者：宣城矽立科新材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/4/6