一種硅碳復合材料及其制備方法、鋰離子電池技術

本發明專利技術公開了一種硅碳復合材料及其制備方法、鋰離子電池，該方法包括以下步驟：（1）將硅基材料放入到高壓反應釜中，該高壓反應釜內為高壓環境，然后用高壓泵將溶解有機碳前軀體的超臨界流體泵入到高壓反應釜中，得到混合物；（2）再將高壓反應釜與泄壓的密閉容器連通，混合物進入到泄壓的密閉容器中，得到有機碳前軀體包覆硅基材料的復合材料；（3）在非氧化氣氛下高溫碳化，得到硅碳復合材料。超臨界流體使得有機碳前驅體得到了充分分散，使得有機碳前軀體與硅基材料混合得更均勻且增加結合力，進入到泄壓容器后超臨界二氧化碳揮發成氣態后仍可繼續重復利用，在有機碳前軀體和硅基材料的混合物中沒有引入雜質，進一步提高了電池的倍率性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于鋰離子電池
，具體涉及一種硅碳復合材料及其制備方法、鋰離子電池。
技術介紹
近年來，隨著能源環境問題的日益嚴重以及電子產品輕型化的要求，人們對鋰離子電池的研究不斷深入。傳統的鋰離子電池通常包括正極、負極、隔膜和電解液四個組成部分。常見的鋰離子電池正極材料通常選擇含鋰的活性化合物，負極材料則選自碳系材料。充電時，加在電池兩極的電勢差迫使正極中的活性物質釋放出鋰離子，嵌入層狀結構的負極材料；放電時，鋰離子則是從層狀結構的碳系負極材料中析出，與正極材料中的活性物質結口 ο普通石墨類負極材料具有較高的循環效率和良好的循環性能，已經廣泛用于鋰離子電池的生產應用中。但是石墨類負極材料的儲存鋰的容量較低，理論比容量僅為372mAh/go所以人們正研究開發新的高容量的硅基材料用于鋰離子電池負極應用。硅可以部分重復的，相對低壓條件下進行儲存鋰的反應，硅能提供很大的比容量，硅基材料理論比容量可以達到4200mAh/g。但是，在電池充放電過程中，鋰的嵌入和脫出循環會導致硅體積的巨大變化，硅的嚴重的體積膨脹和收縮，會造成材料結構的破壞，材料粉化，從而導致鋰離子電池循環性能的急劇衰退。所以，人們正努力去降低這一體積效應以保持負極材料的結構完整性。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是針對現有技術中存在的上述不足，提供一種硅碳復合材料及其制備方法、鋰離子電池，該制備方法中采用超臨界流體能使有機碳前驅體得到充分分散，使得有機碳前軀體與硅基材料混合得更均勻且增加結合力，使其進入到泄壓容器后，超臨界二氧化碳揮發成氣態后仍可繼續重復利用，在有機碳前軀體和硅基材料的混合物中沒有引入雜質，進一步提高鋰離子電池的倍率性能。解決本專利技術技術問題所采用的技術方案是提供一種硅碳復合材料的制備方法，包括以下步驟:(I)將硅基材料放入到高壓反應釜中，該高壓反應釜內為高壓環境，然后用高壓泵將溶解了有機碳前軀體的超臨界流體泵入到所述高壓反應釜中，得到所述硅基材料、所述有機碳前軀體、所述超臨界流體的混合物；(2)再將所述高壓反應釜與泄壓的密閉容器(膨脹室)連通，所述混合物進入到所述泄壓的密閉容器中，得到所述有機碳前軀體包覆所述硅基材料的復合材料；(3)將所述有機碳前軀體包覆所述硅基材料的復合材料在非氧化氣氛下高溫碳化，得到硅碳復合材料。優選的是，所述步驟(I)中的所述有機碳前軀體的質量占所述有機碳前軀體與所述超臨界流體總質量的0.0l?10%。優選的是，所述硅基材料的粒徑為20?200nm。優選的是，所述步驟(I)中的所述高壓反應釜內的溫度為-10?100°C，壓力為I?lOMPa，與維持所述超臨界流體所需的壓力和溫度相適應。優選的是，所述步驟(I)中的所述硅基材料為硅，一氧化硅，硅和一氧化硅的混合物，硅、一氧化硅和二氧化硅的混合物，硅和二氧化硅的混合物，一氧化硅和二氧化硅的混合物中的一種；有機碳前軀體為甲基纖維素、乙基纖維素、聚丙烯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮丁醛中的一種或幾種；所述超臨界流體為超臨界二氧化碳、超臨界水、超臨界甲醇中的一種。優選的是，所述步驟(3)中的所述高溫碳化的溫度為350?850°C，碳化的時間為I?24小時。優選的是，所述步驟(3)中得到的所述硅碳復合材料中的所述硅的質量占所述硅碳復合材料質量的50?90%。優選的是，所述步驟(3)中的所述非氧化氣氛為氮氣、氬氣、氫氣、氨氣、一氧化碳中的一種或幾種氣體的混合氣體。本專利技術還提供一種硅碳復合材料，其由上述的方法制備。本專利技術還提供一種鋰離子電池，其負極含有上述的硅碳復合材料。優選的是，所述負極材料還包括石墨，所述硅碳復合材料與所述石墨的質量比為(1:15)?(1:2)。超臨界流體由于是處于臨界溫度和臨界壓力以上，介于氣體和液體之間的流體，兼有氣體液體的雙重性質和優點:(I)溶解性強，密度接近液體，且比氣體大數百倍，由于物質的溶解度與溶劑的密度成正比，因此超臨界流體具有與液體溶劑相近的溶解能力。(2)擴散性能好，因黏度接近于氣體，較液體小2個數量級。擴散系數介于氣體和液體之間，為液體的10-100倍。具有氣體易于擴散和運動的特性，傳質速率遠遠高于液體。(3)易于控制，在臨界點附近，壓力和溫度的微小變化，都可以引起流體密度很大的變化，從而使溶解度發生較大的改變。本專利技術中的硅碳復合材料的制備方法中，通過超臨界流體將有機碳前驅體溶解，然后與硅基材料混合，再通過高壓反應釜與泄壓的密閉容器連通，相對于現有技術的有機碳前驅體與硅基材料的直接混合，超臨界流體使得有機碳前驅體得到了充分分散，并使得有機碳前軀體與硅基材料混合得更加均勻，進入到泄壓容器后，超臨界二氧化碳揮發成氣態后仍可繼續重復利用，在有機碳前軀體和硅基材料的混合物中沒有引入任何雜質，且不需要專門除去分散介質超臨界流體；制備方法中，從高壓反應釜到泄壓的密閉容器中的壓力變化會增加有機碳前驅體與硅基材料之間的結合力；制備方法很好的實現對與最終制得的硅碳復合材料的改性，進一步提高了鋰離子電池的倍率性能?！揪唧w實施方式】為使本領域技術人員更好地理解本專利技術的技術方案，下面結合【具體實施方式】對本專利技術作進一步詳細描述。實施例1本實施例提供一種硅碳復合材料的制備方法，包括以下步驟:(I)將粒徑為50nm的硅粉放入到高壓反應釜中，該高壓反應釜內為高壓環境，然后用高壓泵將溶解乙基纖維素的二氧化碳超臨界流體泵入到所述高壓反應釜中，其中，乙基纖維素的質量占乙基纖維素與二氧化碳超臨界流體總質量的1.7%。在50°C、8MPa的條件下，攪拌2小時，得到硅粉、乙基纖維素、二氧化碳超臨界流體的混合物；(2)再將所述高壓反應釜與膨脹室(即泄壓的密閉容器)連通，所述混合物進入到膨脹室中，得到乙基纖維素包覆硅粉的復合材料；(3)將乙基纖維素包覆硅粉的復合材料在氬氣氣氛下，在350°C下，碳化12小時，得到硅碳復合材料，該硅碳復合材料中的硅的質量占硅碳復合材料質量的60%。該步中乙基纖維素會碳化成碳。將所得硅碳復合材料分別與導電劑乙炔黑、粘結劑PVDF按照質量比80: 10: 10混合，用NMP (1-甲基-2-吡咯烷酮)將此混合物調制成漿料，均勻涂覆在銅箔上，100°C真空干燥24小時，制得實驗電池用極片。以鋰片為對電極，電解液為lmol/L的LiPF6溶液，溶劑為EC (乙基碳酸酯)+DMC (二甲基碳酸酯)(體積比I: 1)，隔膜為celgard2400膜，在充滿氬氣氣氛的手套箱內裝配成CR2025型扣式電池。對該扣式電池進行倍率性能測試:充放電截至電壓為0.01?1.5V，充放電電流分別為0.2C、1C，每個倍率循環10次，其中，lC=700mA/g。倍率性能測試結果表明，充放電截至電壓為0.01?1.5V，在0.2C的條件下，電當前第1頁1 2 3 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種硅碳復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：（1）將硅基材料放入到高壓反應釜中，該高壓反應釜內為高壓環境，然后用高壓泵將溶解了有機碳前軀體的超臨界流體泵入到所述高壓反應釜中，得到所述硅基材料、所述有機碳前軀體、所述超臨界流體的混合物；（2）再將所述高壓反應釜與泄壓的密閉容器連通，所述混合物進入到所述泄壓的密閉容器中，得到所述有機碳前軀體包覆所述硅基材料的復合材料；（3）將所述有機碳前軀體包覆所述硅基材料的復合材料在非氧化氣氛下高溫碳化，得到硅碳復合材料。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：盧磊，朱廣燕，陳效華，
申請(專利權)人：奇瑞汽車股份有限公司，
類型：發明
國別省市：安徽;34