[发明专利]一种碳/硅/碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种碳/硅/碳复合材料及其制备方法和应用，该复合材料以碳材料为核心，在碳材料表面再包覆纳米硅层和纳米碳层。该碳/硅/碳复合材料的制备方法采用微波消解有机硅烷的方式在碳材料表面包覆氧化硅层，极大地缩短了制备周期，提高了生产效率；使用还原性强的纳米金属颗粒在室温下通过机械球磨将硅的氧化物还原为硅，降低了能耗；再通过高温焙烧在硅层上包覆碳层得到碳/硅/碳复合材料。所得碳/硅/碳复合材料在充放电过程中，硅电极材料的体积变化得到有效控制，电极结构保持完整，循环容量大，循环寿命长，具有广阔的应用市场。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种用于锂离子电池负极的硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随新能源领域的崛起，商业化锂离子负极材料石墨已接近其理论容量，难以满足当下对锂离子电池的高要求。本发明所要解决的技术问题是克服了现有的硅碳复合材料充放电容量较小，首次效率较低或者长时间使用循环使用容量保持率低，无法达到应用等缺陷。

硅基材料具有较高的理论比容量，但在充放电过程中伴随巨大的体积膨胀导致电池快速失效，限制其应用推广。目前解决硅基材料在充放电过程中体积膨胀主要方法有：(1)中国专利CN106025218A，CN106328909A和CN106067547A将硅基材料纳米化再将其与碳材料复合制备硅碳复合材料，但由于硅基材料本身的强度较高，将其纳米化的能耗高且耗时长，并且纳米化的硅易团聚；(2)中国专利CN106328909A和CN106356508A先制备特定结构硅氧前体，再将硅氧前体与镁粉在保护气体下高温焙烧还原得到硅，传统溶胶凝胶制备硅氧化物的方法制备周期长，并且还原过程所需设备要求和能耗较高。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种碳/硅/碳复合材料及其制备方法。

发明的具体内容为：

一方面，本发明涉及一种碳/硅/碳复合材料，以碳材料为核心，在碳材料表面包覆纳米硅层和纳米碳层，其中所述的碳材料为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、碳米管、石墨烯或碳纤维。

其中，所述的碳材料为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、碳米管、石墨烯或碳纤维的任意一种，或为人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、碳米管、石墨烯和碳纤维的两种或两种以上的组合。

在一些实施例中，所述的纳米硅层的厚度为1～200nm，纳米碳层的厚度为1～150nm。

其中，所述的纳米硅层的厚度优选为20～200nm，例如20nm、60nm、70nm、80nm、110nm或200nm，等。

其中，所述的纳米碳层的厚度优选为30～150nm，例如30nm、40nm、50nm、60nm、100nm或150nm，等。

另一方面，本发明涉及上述碳/硅/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)使用氧化剂对碳材料表面进行氧化，得到表面改性的碳材料；

(2)将步骤(1)得到的碳材料与有机硅在溶剂中超声后，用酸或碱调节pH值，微波处理，

使有机硅分解，得到二氧化硅包覆碳复合材料，即为前躯体1；

(3)将步骤(2)得到的二氧化硅包覆碳复合材料与纳米金属颗粒机械球磨，得到硅包覆碳

复合材料，即为前躯体2；

(4)将步骤(3)得到的硅包覆碳复合材料与热解碳源混合，再高温焙烧得到碳/硅/碳复合

材料。

在一些实施例中，步骤(1)所述的氧化剂为双氧水、硝酸、硫酸、盐酸或高锰酸钾。