[发明专利]一种纤维状硅碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纤维状硅碳复合材料及其制备方法，包括核壳结构，其中，所述核壳结构的内核由多孔碳纤维和纳米硅组成，所述核壳结构的外壳由无机锂盐和无定形碳组成；本发明具有电子导电率高的特性以及其应用的锂离子电池具有优异的倍率以及循环性能表现。

技术领域

本发明属于锂离子电池材料制备领域，具体涉及一种纤维状硅碳复合材料及其制备方法。

背景技术

硅碳复合材料以其比容量高、材料来源广泛等优点而被广泛应用于高比能量密度锂离子电池。目前市场化的硅碳复合材料主要包括两种：砂磨法硅碳和硅烷裂解法硅碳，其中，砂磨法硅碳的硅晶粒较大，容易团聚、造成其膨胀较大，循环性能较差，同时其材料的比容量和首次效率偏低(1250mAh/g，86％)；而硅烷裂解法硅烷以其硅晶粒小，比容量和首次效率高(1900mAh/g，90％)，膨胀低、循环性能好等优点而成为新型材料，但是由于硅烷裂解法硅烷呈多孔结构，膨胀虽然降低，但是多孔结构会降低材料的电子导电率，降低倍率性能。因此，在当前技术发展中，通过材料掺杂、包覆是改善硅碳材料的主要措施之一，即包覆电子导电率高、离子导电率高的材料降低材料的阻抗，提升阻抗。

在此技术背景下，同时基于本申请人技术团队在硅碳复合材料领域的专注研究开发经验，本申请人希望寻求新的技术路径来得到具有高效率表现的硅碳复合材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纤维状硅碳复合材料及其制备方法，具有电子导电率高的特性以及其应用的锂离子电池具有优异的倍率以及循环性能表现。

本发明采用的技术方案如下：

一种纤维状硅碳复合材料，所述纤维状硅碳复合材料包括核壳结构，其中，所述核壳结构的内核由多孔碳纤维和纳米硅组成，所述核壳结构的外壳由无机锂盐和无定形碳组成。

优选地，所述外壳占所述纤维状硅碳复合材料的质量百分比为3-20wt％，更优选为5-15wt％。

优选地，一种根据如上所述纤维状硅碳复合材料的制备方法，至少包括如下操作步骤：

步骤S1)、将聚丙烯腈溶于N,N二甲基甲酰胺溶剂中得到纺丝液，之后经静电纺丝，得到纳米碳纤维；

步骤S2)、将步骤S1)得到的纳米碳纤维添加到所述碱液中混合均匀、喷雾干燥后，在惰性气氛下加热烧结至少1小时，得到多孔碳纤维，其中，所述纳米碳纤维：所述碱液的质量比为100：100-300；

步骤S3)、将步骤S2)得到的多孔碳纤维转移到反应腔中，抽真空后通入氯硅烷，保持腔内压强为0.1-1Mpa，并在温度为200-400℃的条件下进行裂解至少1小时，之后在惰性气氛下降温，得到纳米硅-多孔碳纤维复合材料；

步骤S4)、将步骤S3)得到的纳米硅-多孔碳纤维复合材料转移到真空反应腔中，先通过原子气相沉积在表面沉积硅酸锂，然后转移到碳化装置中，通过气相沉积法，在温度为700-900℃的条件下通入碳源，碳化处理至少1小时，得到硅酸锂和无定形碳双层包覆纳米硅-多孔碳纤维复合材料，作为所述纤维状硅碳复合材料。

优选地，在所述步骤S1)中，所述纺丝液的质量浓度为10-40wt％；在所述步骤S2)中，所述加热烧结包括：在温度为750-850℃的条件下烧结1-6小时；和/或在所述步骤S3)中，所述裂解时间为1-6小时；和/或在所述步骤S4)中，所述碳化处理的时间为1-6小时。

优选地，在所述步骤S1)中，所述静电纺丝的纺丝电压为15-20kV，所述推注速度为0.1-0.5mm/mi n，所述接收距离为15-20cm。

优选地，在所述步骤S1)中，所述碱液为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾和碳酸氢钾中的任意一种或几种的混合，和/或所述碱液的质量浓度为1-5wt％。