一种蜂窝状硅碳复合材料、其制备方法和应用.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN108023076A(43)申请公布日2018.05.11(21)申请号201711237620.7(22)申请日2017.11.30(71)申请人武汉科技大学地址430081湖北省武汉市青山区和平大道947号(72)发明人霍开富梅世雄高标安威力张旭明付继江(74)专利代理机构武汉东喻专利代理事务所(普通合伙)42224代理人纪元(51)Int.Cl.H01M4/36(2006.01)H01M4/38(2006.01)H01M4/62(2006.01)H01M10/0525(2010.01)权利要求书1页说明书5页附图3页(54)发明名称一种蜂窝状硅碳复合材料、其制备方法和应用(57)摘要本发明属于锂离子电池负极材料领域，更具体地，涉及一种蜂窝状硅碳复合材料、其制备方法和应用。该硅碳复合材料通过一步反应制得，具有蜂窝状结构，包括三维贯通的多孔硅以及碳填充在所述多孔硅孔道中，所述多孔硅颗粒尺寸为1～3微米，所述多孔硅孔径为100～200纳米，介孔孔径为20～40纳米；所述多孔硅颗粒表面包覆有无定型碳。将本发明的硅碳复合材料用作锂离子电池负极材料，其循环性能和倍率性能良好，可应用于制作长寿命的高能量密度锂离子电池负极材料，由此解决现有技术用作锂离子电池材料的硅碳复合材料制备方法复杂、条件苛刻、成本昂贵等技术问题。CN108023076ACN108023076A权利要求书1/1页1.一种硅碳复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料具有蜂窝状结构，包括三维贯通的多孔硅以及碳填充在所述多孔硅孔道中，所述多孔硅颗粒尺寸为1～3微米，所述多孔硅孔径为100～200纳米，介孔孔径为20～40纳米；所述多孔硅颗粒表面包覆有无定型碳。2.如权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述硅碳复合材料中硅含量为65～90wt％，余量为碳。3.如权利要求1或2所述的硅碳复合材料，其特征在于，所述复合材料振实密度为0.76～1.03g/cm3，压实密度为范围1.25～1.42g/cm3。4.一种如权利要求1～3任意一项所述的硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将硅酸盐玻璃粉末、碳酸盐或碳酸氢盐与镁粉按照质量比10:1～5:5～10混合，在惰性气氛环境下以1～10℃/min的升温速度加热到700～900℃保温1～6h，冷却后经酸洗得到硅碳复合材料。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述硅酸盐玻璃粉末粒径范围为100nm～10μm。6.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳酸盐或碳酸氢盐为碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠或碳酸氢钾中的一种或多种。7.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛为氩气气氛。8.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述酸洗步骤为：先采用浓度为0.5～5mol/L的强酸溶液清洗0.5～20小时，然后采用浓度为0.2～2mol/L的氢氟酸溶液清洗5～120分钟；所述强酸为盐酸、硫酸或硝酸，优选为盐酸。9.一种如权利要求1～3任意一项所述的硅碳复合材料的应用，其特征在于，用作锂离子电池负极材料。2CN108023076A说明书1/5页一种蜂窝状硅碳复合材料、其制备方法和应用技术领域[0001]本发明属于锂离子电池负极材料领域，更具体地，涉及一种蜂窝状硅碳复合材料、其制备方法和应用。背景技术[0002]硅是目前人类至今为止发现的比容量(4200mAh/g)最高的锂离子电池负极材料,是一种最有潜力的负极材料。硅作为锂电池负极应用也有一些瓶颈，第一个问题是硅在反应中会出现体积膨胀的问题。通过理论计算和实验可以证明嵌锂和脱锂都会引起体积变化，这个体积变化是300％。所以不论做成什么样的材料，微观上，在硅的原子尺度或者纳米尺度，它的膨胀是300％。在材料设计时必需要考虑大的体积变化问题。高体积容量的材料在局部会产生力学上的问题，通过一系列的基础研究证明，它会裂开，形成严重的脱落。第二个问题就是在硅表面的SEI膜是比较厚且不均匀的，受温度和添加剂的影响很大，会影响锂离子电池中整个比能量的发挥。硅碳包覆等技术手段可以有效解决硅在锂电池负极应用中遇到的问题，另外，完整的表面包覆非常重要，防止硅和电解液接触，产生厚的SEI膜的消耗。微观结构的设计也很重要，要来维持在循环过程中电子的接触，离子的通道，体积的膨胀。[0003]目前硅碳复合材料主要有包覆型和嵌入型这两种。包覆型的硅碳复合材料是在硅的表面包覆一层碳，从而起到缓冲硅体积效应所引起的相变和提供电子传输通道的作用。但是目前这些制备硅碳复合材料的方法，不仅条件苛刻、成本昂贵，步骤复杂，而且污染严重、涉及很多有毒物质、对人危害性较大。例如专利“一种硅碳负极复合材料的制备方法”(CN20171006