[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硅碳复合材料及其制备方法，属于锂离子电池材料技术领域，复合材料呈核壳结构，内核为纳米硅、碳纳米管、石墨烯及多孔碳组成，外壳为由内向外依次为多孔无定形碳和无定形碳构成的双层结构，以复合材料质量百分比100%计，外壳的质量百分比为1‑12%。其制备过程为：将高挥发份沥青焦，纳米硅通过球磨机混合均匀后，添加碳纳米管导电液、石墨烯导电液混合均匀，喷雾干燥，碳化得到前驱体材料；将前驱体材料添加到高挥发份沥青焦中二次碳化，通过气相沉积法在其表面沉积碳源，得到硅碳复合材料。本发明的各向同性好、膨胀低、制备成本低，能提升循环性能及存储性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体来说涉及一种硅碳复合材料，同时还涉及该硅碳复合材料的制备方法。

背景技术

硅碳材料以其能量密度高，材料来源广泛等优点而成为高能量密度锂离子电池负极材料的首选材料，但是由于硅碳材料自身存在满电膨胀大、高温存储差等问题影响其材料的批量推广。而降低其硅碳膨胀的措施有很多，比如纳米硅、多孔结构、包覆改性等，虽然对硅碳复合材料的膨胀有一定改善，但是会存在分散困难、团聚等加工问题，同时由于硅材料自身的电子导电率差影响其低温及其快充性能。比如专利申请号202110182934.1公开了内部体积空间可控的硅碳复合材料及其制备方法和应用，其硅碳复合材料为由纳米三维石墨烯多孔颗粒、碳纳米管/导电碳纤维、纳米SiO_x颗粒和无定形碳通过复合形成的二次多孔球形或类球形颗粒；硅碳复合材料内部为多孔结构，外部为密实结构，所述有机物为葡萄糖、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、淀粉，但是残炭量低，分散均匀性差，虽然膨胀得到降低，但是由于纳米SiO_x颗粒在有机物中分散均匀性差，容易团聚，同时在内核的多孔结构表面包覆有无定形碳，但是仍然存在包覆完整度差，造成内核容易外露造成材料的副反应大，材料的存储性能较差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点而提供的一种各向同性好、膨胀低、制备成本低，能提升循环性能及存储性能的硅碳复合材料。

本发明的另一目的在于提供该硅碳复合材料的制备方法。

本发明的一种硅碳复合材料，呈核壳结构，内核为纳米硅、碳纳米管、石墨烯及多孔碳组成，外壳为由内向外依次为多孔无定形碳和无定形碳构成的双层结构，以复合材料质量百分比100%计，外壳的质量百分比为1-12%。

所述内核的纳米硅：碳纳米管：石墨烯：多孔碳质量比=30-60：1-5：1-5：30-70。

所述外壳的多孔无定形碳：无定形碳质量比=1-10：1。

本发明的一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：按沥青焦：纳米硅：碳纳米管导电液：石墨烯导电液质量比=100：（100-200）：（20-100）：（20-100），将100份沥青焦添加到500份有机溶剂中分散均匀后，添加纳米硅、碳纳米管导电液、石墨烯导电液，然后加到高速球磨机中在转速为10m/s条件下研磨24h后，进风温度280-350℃、出风温度60-100℃、蒸发量1-5kg/h喷雾干燥0.5-2h，在温度为600-800℃碳化1-6h，得到前驱体材料；

S2: 按前驱体材料：树脂=100:1-10，将前驱体材料添加到0.2wt%-2wt含有树脂的有机溶剂中，在温度为200-500℃二次碳化1-6h，粉碎到粒度为5-30µm后转移到管式炉中，通入碳源气体，温度为700-1000℃沉积1-6h，粉碎到粒度为3-15µm，得到硅碳复合材料。

所述步骤S1中沥青焦参数为，挥发分≥30wt%，灰分含量＜0.3wt％，Fe元素含量＜15ppm，真密度为1.9-2.2g/cm³，孔隙率＜40％；有机溶剂为喹啉、异喹啉或2-甲基喹啉中的一种。

所述步骤S2中有机溶剂为二甲苯、甲苯或氯仿中的一种。

所述步骤S2中碳源为甲烷、乙烷或乙烯中的一种。