【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及以一種復合硅碳材料及其制備方法、應用和鋰離子電池。
技術介紹
1、隨著過去市場對鋰離子電池需求的快速發(fā)展，鋰離子電池被認為是移動電子設備中最重要的電源，其能量密度每年增加7-10%。對重量減輕、壽命延長和提高容量的需求持續(xù)增加。然而，傳統(tǒng)的石墨負極正接近其理論容量極限。在這方面，硅已被認為是下一代鋰離子電池負極材料的可行替代方案，硅具有較高的理論比容量，為3589?mah/g。然而，較差的電導率，且充放電過程中通常會引起較大的體積膨脹（超300%），導致電極的粉化表現(xiàn)出較差的首次庫倫效率、循環(huán)性能和倍率性能。
2、為了使用硅作為負極對抗體積膨脹，并控制固體電解質間相（sei）的反復形成以實現(xiàn)高首次效率，一些先進的納米材料設計策略作為一種學術研究已經(jīng)被證明。例如，硅與納米碳質材料構建復合體系，從硅材料的納米尺度的改變，到硅-碳納米各類三維結構的構建，如核殼結構/蛋黃/石榴類結構構建，結果均表明了從三維角度出發(fā)對硅材料的改性效果最佳。
3、中國專利申請cn118398782介紹了一種sioc復合負極材料及其制備方法，所述材料包括通過硼酸輔助自組裝的sioc復合材料，其表面包覆有一層聚合物。在連續(xù)鋰化過程中，聚合物層會因為分子構型的改變而膨脹收縮，為內(nèi)部sioc材料的體積膨脹提供了可控空間，從而提高首圈庫倫效率和循環(huán)性能，但這種提升方式有限，所得鋰離子電池無法兼顧優(yōu)異的首次庫倫效率、循環(huán)性能和倍率性能。
技術實現(xiàn)思路
1、為了解決現(xiàn)有的硅碳負極材料得
2、為實現(xiàn)上述目的，本專利技術采用以下技術方案。
3、本專利技術提供了一種復合硅碳材料，其包括夾層結構，所述夾層結構包括依次包覆有硅層和石墨烯層的石墨烯納米帶。
4、本專利技術中，所述石墨烯納米帶是由石墨烯進一步開鏈得到的，為邊緣部分六元碳環(huán)存在缺陷的石墨烯。
5、本專利技術中，所述石墨烯納米帶和所述硅層的質量比優(yōu)選為（1-3）:1，例如為1.7：1。
6、本專利技術中，所述石墨烯層和所述硅層的質量比優(yōu)選為1:（1-3），例如為1：2。
7、本專利技術中，所述石墨烯納米帶優(yōu)選包括二維石墨烯納米帶和/或三維石墨烯納米帶，例如為三維石墨烯納米帶。
8、其中，所述三維石墨烯納米帶優(yōu)選為功能化三維石墨烯；所述功能化三維石墨烯納米帶例如為烷基化三維石墨烯納米帶。
9、本專利技術中，所述復合硅碳材料的硅含量優(yōu)選為25%-35%，更優(yōu)選為28%-33%，例如為28.9%、29.6%、29.8%、30.4%、30.5%、31.8%、30.8%、32.4%或32.7%。
10、本專利技術中，所述復合硅碳材料的碳含量優(yōu)選為60%-70%，更優(yōu)選為63%-69%，例如為63.7%、63.8%、64.2%、64.9%、65.7%、66.5%、66.7%、67.2%或68.2%。
11、本專利技術中，所述復合硅碳材料的氧含量優(yōu)選為2%-5%，更優(yōu)選為2.3%-4.7%，例如為2.3%、2.5%、2.7%、3.1%、3.2%、3.9%、4.4%或4.7%。
12、本專利技術中，所述復合硅碳材料的dv50粒徑優(yōu)選為250-400?nm，更優(yōu)選為288-352nm，例如為288?nm、298?nm、306?nm、312?nm、327?nm、330?nm、331?nm或352?nm。
13、本專利技術中，所述復合硅碳材料的電導率優(yōu)選為（0.8-2.5）×103?s/m，更優(yōu)選為（1.9-2.5）×103?s/m，例如為0.879×103?s/m、1.897×103?s/m、1.985×103?s/m、2.089×103?s/m、2.112×103?s/m、2.217×103?s/m、2.314×103?s/m、2.417×103?s/m或2.451×103s/m。
14、本專利技術中，所述復合硅碳材料的孔徑優(yōu)選為15-25?nm，更優(yōu)選為18-22?nm，例如為18.7?nm、18.9?nm、19.3?nm、19.7?nm、20.8?nm、21.7?nm或21.8?nm。
15、本專利技術中，所述復合硅碳材料的電荷轉移內(nèi)阻優(yōu)選為35-70?ω，更優(yōu)選為35-50ω，進一步優(yōu)選為38-46?ω，例如為38.9ω、39.7ω、41.2?ω、42.8ω、43.9ω、44.7ω、45.1ω或67.8ω。
16、本專利技術提供了一種復合硅碳材料的制備方法，其包括以下步驟：
17、s1、在石墨烯納米帶上沉積硅，得到硅碳前驅體；
18、s2、在所述硅碳前驅體上包覆石墨烯層。
19、步驟s1中，所述石墨烯納米帶優(yōu)選包括三維石墨烯納米帶和/或二維石墨烯納米帶，例如為三維石墨烯納米帶。
20、其中，所述三維石墨烯納米帶的孔徑優(yōu)選為13.6-19.8nm，例如為16.8?nm。
21、其中，所述三維石墨烯納米帶的dv50粒徑優(yōu)選為150-280nm，例如為200?nm。
22、其中，所述三維石墨烯納米帶優(yōu)選為功能化三維石墨烯納米帶，所述功能化三維石墨烯納米帶例如為烷基化三維石墨烯納米帶。
23、其中，所述三維石墨烯納米帶的制備方法優(yōu)選包括以下步驟：
24、將碳納米管、穩(wěn)定劑和開鏈劑的混合料，經(jīng)第一反應，得到反應物料；洗滌，干燥，即得；其中，所述碳納米管包括多壁碳納米管。
25、優(yōu)選地，所述多壁碳納米管的含量為50%以上，百分比為占所述碳納米管的質量百分比。
26、優(yōu)選地，所述碳納米管還包括單壁碳納米管。
27、優(yōu)選地，所述穩(wěn)定劑為1,2-二甲氧基乙烷。
28、優(yōu)選地，所述開鏈劑為na/k合金。
29、優(yōu)選地，所述得到反應物料后，還包括將反應物料加入功能化試劑進行第二反應的步驟；其中，所述功能化試劑優(yōu)選為鹵代烷烴；進一步優(yōu)選地，所述鹵代烷烴為碘代烷烴，例如為1-碘烷烴。
30、在一些更優(yōu)選的實施方案中，所述1-碘烷烴中c原子數(shù)在5-16之間；所述1-碘烷烴例如為1-碘癸烷。
31、優(yōu)選地，所述洗滌采用的試劑為甲醇、四氫呋喃、聚丙烯酸酯、水和乙醚中的一種或多種。
32、優(yōu)選地，所述混合料的制備方法包括以下步驟：在多壁碳納米管中加入穩(wěn)定劑，再加入開鏈劑。
33、優(yōu)選地，所述三維石墨烯納米帶的制備在手套箱中進行。
34、在一些優(yōu)選實施方案中，所述干燥為冷凍干燥、co2超臨界干燥或真空干燥。
35、其中，所述冷凍干燥的溫度優(yōu)選為零下30℃至零下80℃。
36、其中，所述冷凍干燥的時間優(yōu)選為3-7h。
【技術保護點】
1.一種復合硅碳材料，其特征在于，其包括夾層結構，所述夾層結構包括依次包覆有硅層和石墨烯層的石墨烯納米帶。
2.如權利要求1所述的復合硅碳材料，其特征在于，所述夾層結構滿足以下條件a-c中的一個或多個：
3.如權利要求1所述的復合硅碳材料，其特征在于，所述復合硅碳材料滿足以下條件a-g中的一個或多個：
4.一種復合硅碳材料的制備方法，其特征在于，其包括以下步驟：
5.如權利要求4所述的復合硅碳材料的制備方法，其特征在于，所述石墨烯納米帶包括三維石墨烯納米帶和/或二維石墨烯納米帶，例如為三維石墨烯納米帶；
6.如權利要求4所述的復合硅碳材料的制備方法，其特征在于，所述沉積硅的方法為原子層沉積法；所述原子層沉積法包括以下步驟：
7.如權利要求4所述的復合硅碳材料的制備方法，其特征在于，所述在所述硅碳前驅體上包覆石墨烯層的方法包括以下步驟：
8.一種復合硅碳材料，其特征在于，其由如權利要求4-7中任一項所述的復合硅碳材料的制備方法制備得到。
9.一種如權利要求1-3和8中任一項所述的復合硅碳
10.一種鋰離子電池，其特征在于，其包括如權利要求1-3和8中任一項所述的復合硅碳材料。
...【技術特征摘要】
1.一種復合硅碳材料，其特征在于，其包括夾層結構，所述夾層結構包括依次包覆有硅層和石墨烯層的石墨烯納米帶。
2.如權利要求1所述的復合硅碳材料，其特征在于，所述夾層結構滿足以下條件a-c中的一個或多個：
3.如權利要求1所述的復合硅碳材料，其特征在于，所述復合硅碳材料滿足以下條件a-g中的一個或多個：
4.一種復合硅碳材料的制備方法，其特征在于，其包括以下步驟：
5.如權利要求4所述的復合硅碳材料的制備方法，其特征在于，所述石墨烯納米帶包括三維石墨烯納米帶和/或二維石墨烯納米帶，例如為三維石墨烯納米帶；
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：楊廣，顧凱，喬永民，王旭峰，胡欽山，何麗，
申請(專利權)人：寧波杉杉新材料科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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