【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及一種硅碳復(fù)合材料及其制備方法、極片、應(yīng)用和電化學(xué)裝置。
技術(shù)介紹
1、隨著新能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，高能量密度成為了鋰電池行業(yè)追求的重要目標(biāo)。當(dāng)前，商用負(fù)極石墨已趨近其理論容量上限，提升空間相對有限，難以滿足日益增長的應(yīng)用需求。在眾多潛在的負(fù)極材料中，硅負(fù)極因其極高的理論容量(4200mah/g)、較低的嵌鋰電位以及廣泛的來源而備受矚目，被視為下一代負(fù)極材料的有力候選者。然而，硅負(fù)極在實用化過程中面臨著體積膨脹大、導(dǎo)電性差、循環(huán)穩(wěn)定性不佳等挑戰(zhàn)，這些難題限制了其在大規(guī)模應(yīng)用中的推廣。
2、為了克服這些難題，研究者們嘗試通過減小硅顆粒尺寸、多孔化以及結(jié)構(gòu)設(shè)計的策略來抑制硅的體積膨脹，提升硅碳負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。但納米化和多孔化雖然有助于緩解體積膨脹，但同時也會降低硅碳負(fù)極的振實密度，進(jìn)而影響到其能量密度。同時納米化、多孔化的成本較高，并不利于大規(guī)模生產(chǎn)。相比之下，微米硅具有較高的壓實密度的特點在應(yīng)用中展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。然而，微米硅的膨脹問題更加嚴(yán)重，如何解決微米硅的膨脹成為關(guān)注的難題。
3、目前，對微米硅的處理，一般通過采用球磨、刻蝕、包覆等手段來改善微米硅的膨脹性能，以提升硅碳負(fù)極的循環(huán)穩(wěn)定性。中國專利文獻(xiàn)cn111244417b公開了一種具有長循環(huán)壽命微米硅碳復(fù)合負(fù)極材料的制備方法，該專利以3-5μm的硅粉為原料，通過碳包覆、分散、堿刻蝕、水熱處理、脫水等步驟獲得三維石墨烯-碳硅復(fù)合宏觀體，該負(fù)極具有強(qiáng)韌的多級緩沖結(jié)構(gòu)，充分利用堿對微米硅的刻蝕能夠有效的緩沖硅的體積膨脹，同時借助石墨烯的導(dǎo)電性
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)中硅碳復(fù)合材料的循環(huán)性能較差的缺陷，而提供了一種硅碳復(fù)合材料及其制備方法、極片、應(yīng)用和電化學(xué)裝置。由本專利技術(shù)的硅碳復(fù)合材料組裝的電池能夠有硅碳復(fù)合材料效抑制硅體積膨脹，提升該硅碳復(fù)合材料組裝的電池的循環(huán)性能。本專利技術(shù)硅碳復(fù)合材料的制備方法適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)成本更低，更安全，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。
2、本專利技術(shù)通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：
3、本專利技術(shù)提供了一種硅碳復(fù)合材料，其具有核殼結(jié)構(gòu)，核包括多孔炭和包覆有第一碳層的多孔硅，其中，所述包覆有第一碳層的多孔硅分布在所述多孔炭的孔隙中；殼為第二碳層，所述第二碳層包覆在所述多孔炭的表面。
4、本專利技術(shù)中，所述多孔炭可為本領(lǐng)域常規(guī)的黑色多孔的固體炭質(zhì)，優(yōu)選地通過瀝青碳化獲得。所述多孔炭的總孔容可為0.6-1.5m3/g。所述多孔炭的比表面積可為1013.4-1920.7m2/g，所述多孔炭的平均孔徑可為1.8347-2.8761nm。
5、本專利技術(shù)中，所述硅碳復(fù)合材料的硅含量可為20％-45％，例如38％、31％、26％、42％、41％或40％。硅含量表示硅的質(zhì)量占硅碳復(fù)合材料的質(zhì)量的百分比。
6、本專利技術(shù)中，所述硅碳復(fù)合材料的碳含量可為55％-78％，例如58％、62％、69％、74％、59％或60％。碳含量表示碳的質(zhì)量占硅碳復(fù)合材料的質(zhì)量的百分比。
7、本專利技術(shù)中，所述硅碳復(fù)合材料的d10可為3.5-28μm，例如26、4.1、4.0、3.9或3.7μm。
8、本專利技術(shù)中，所述硅碳復(fù)合材料的d50可為5-10μm，例如8.7、8.6、8.9、8.8或8.5μm。
9、本專利技術(shù)中，所述硅碳復(fù)合材料的d90可為17-19μm，例如18.7、18.2、18.9或18.5μm。
10、本專利技術(shù)中，所述硅碳復(fù)合材料的比表面積可為2-6m2/g，例如2.4、5.3、2.8、3.9、4.8、4.1或4.3m2/g。
11、本專利技術(shù)中，所述硅碳復(fù)合材料的振實密度可為0.8-1.06g/cm3，例如0.84、0.98、1.00、1.01、1.02、1.03、1.05或1.00g/cm3。
12、本專利技術(shù)中，所述硅碳復(fù)合材料中優(yōu)選還包括導(dǎo)電材料。所述導(dǎo)電材料優(yōu)選分布在所述多孔炭的孔隙中。
13、其中，所述導(dǎo)電材料的種類可為碳納米管、導(dǎo)電炭黑、科琴黑、氣相生長碳纖維(vgcf)和石墨烯的一種或多種，例如碳納米管。
14、本專利技術(shù)提供了一種硅碳復(fù)合材料的制備方法，其包括下述步驟：
15、s1、將硅碳前驅(qū)體漿料進(jìn)行噴霧造粒，得第一前驅(qū)體；其中，所述硅碳前驅(qū)體漿料通過將硅源、碳源、造孔劑和溶劑混合得到；
16、s2、將所述第一前驅(qū)體碳化處理，得第二前驅(qū)體；
17、s3、將所述第二前驅(qū)體進(jìn)行碳包覆，得所述硅碳復(fù)合材料。
18、本專利技術(shù)中，所述硅源的種類可為本領(lǐng)域常規(guī)，例如硅顆粒。
19、本專利技術(shù)中，所述硅源的d50可為0.5-4μm，例如3μm。所述硅源的dmax＜15μm，例如11.34μm。
20、本專利技術(shù)中，所述碳源的種類可為本領(lǐng)域常規(guī)，優(yōu)選為瀝青，例如煤瀝青和/或石油瀝青。
21、本專利技術(shù)中，所述碳源的殘?zhí)柯蕛?yōu)選大于40％，例如43.2％。所述碳源的殘?zhí)柯什捎胓b/t268-87測試可得。
22、本專利技術(shù)中，所述碳源的結(jié)焦值可為35％-62.6％，例如54.7％。所述碳源的軟化點可為100-200℃，例如112℃。
23、本專利技術(shù)中，所述造孔劑的種類可為本領(lǐng)域常規(guī)的堿性造孔劑，優(yōu)選為氫氧化鈉、氫氧化鉀和氫氧化銨中的一種或多種，例如氫氧化鉀。
24、本專利技術(shù)中，所述溶劑的種類優(yōu)選為乙醇。
25、本專利技術(shù)中，所述造孔劑和所述硅源的質(zhì)量比可為1：(0.2-5)，優(yōu)選為1：(0.25-4.8)，例如1：1.125、1：1.025、1：1.175、1：0.75、1：0.5625或1：4.5。
26、本專利技術(shù)中，所述碳源和所述造孔劑的質(zhì)量比可為(0.5-6)：1，優(yōu)選為(0.6-5.8)：1，例如1.375：1、1.475：1、1.325：1、0.92：1、0.6875：1、5.5：1或2.25：1。
27、本專利技術(shù)中，步驟s1中，所述混合的步驟優(yōu)選包括：將硅源和溶劑先混合，再添加造孔劑，最后添加碳源。
28、其中，所述硅源和溶劑的混合過程中優(yōu)選還進(jìn)行攪拌分散的步驟。所述攪拌的時間可為10-120min，例如80min。所述攪拌的速度可為500-1500rpm，例如1000rpm。
29、本專利技術(shù)中，所述硅碳前驅(qū)體漿料中優(yōu)選還包括導(dǎo)電材料。...
【技術(shù)保護(hù)點】
1.一種硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，其包括下述步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述硅碳復(fù)合材料的制備方法滿足下述條件(1)-(6)中的一種或多種：
3.如權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述硅碳復(fù)合材料的制備方法滿足下述條件(1)-(10)中的一種或多種：
4.如權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述硅碳復(fù)合材料的制備方法滿足下述條件(1)-(10)中的一種或多種：
5.一種硅碳復(fù)合材料，其特征在于，其采用如權(quán)利要求1-4中任一項所述的硅碳復(fù)合材料的制備方法制得。
6.一種硅碳復(fù)合材料，其特征在于，其具有核殼結(jié)構(gòu)，核包括多孔炭和包覆有第一碳層的多孔硅，其中，所述包覆有第一碳層的多孔硅分布在所述多孔炭的孔隙中；殼為第二碳層，所述第二碳層包覆在所述多孔炭的表面。
7.如權(quán)利要求6所述的硅碳復(fù)合材料，其特征在于，所述硅碳復(fù)合材料滿足下述條件(1)-(8)中的一種或多種：
8.一種極片，其特征在于，其包括如權(quán)利要求5-7中任一
9.一種如權(quán)利要求8所述的極片在電化學(xué)裝置領(lǐng)域中的應(yīng)用。
10.一種電化學(xué)裝置，其包括如權(quán)利要求8所述的極片。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，其包括下述步驟：
2.如權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述硅碳復(fù)合材料的制備方法滿足下述條件(1)-(6)中的一種或多種：
3.如權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述硅碳復(fù)合材料的制備方法滿足下述條件(1)-(10)中的一種或多種：
4.如權(quán)利要求1所述的硅碳復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，所述硅碳復(fù)合材料的制備方法滿足下述條件(1)-(10)中的一種或多種：
5.一種硅碳復(fù)合材料，其特征在于，其采用如權(quán)利要求1-4中任一項所述的硅碳復(fù)合...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張勁斌，顧凱，朱周生，錢佳麗，
申請(專利權(quán))人：上海杉杉新材料有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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