【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術涉及一種硅炭復合材料、制備方法及其應用，屬于儲能材料。
技術介紹
1、隨著電動汽車和3c移動電子設備的迅速發(fā)展，具有能量密度高、自放電弱、循環(huán)壽命長等優(yōu)點的鋰離子電池得到了研究者的廣泛關注。石墨作為一種常見的商業(yè)化負極材料具有化學性質穩(wěn)定、充放電電位平臺低、體積膨脹不明顯等優(yōu)點。然而，石墨的理論比容量較低，只有372mah·g-1。硅基負極材料具有超高的理論比容量(如：硅單質的理論比容量為4200mah·g-1)和較低的放電平臺(0.1v)，有望替代石墨成為新一代的商業(yè)化鋰離子電池負極材料。但是，由于硅的導電性差，碳材料中有大量無定型炭，使得復合材料阻抗較大，降低了電化學性能。硅基負極材料也存在電導率低、倍率性能差等問題，同時在充放電過程中會產生較大的體積膨脹，導致電極材料的粉化和脫落，限制了其在儲能領域的應用。
2、將硅材料納米化并與碳材料進行復合是緩解硅在充放電過程中體積變化大的重要手段。但現(xiàn)有報道中硅炭材料一般呈現(xiàn)為球狀或無規(guī)則塊狀，通常擁有較大的比表面積，在首次充放電過程中會生產大量的sei膜，消耗電解液，降低了首次庫倫效率，同時硅基材料的導電性較差，使得電化學阻抗大。
技術實現(xiàn)思路
1、針對目前硅基鋰離子電池負極材料充放電過程中的體積變化、較低的電導率等問題，本專利技術提供了一種硅炭復合材料、制備方法及其應用，通過將催化劑與硅炭材料充分混合，并通過回轉cvd法在硅炭材料表面包覆均勻的炭層并生長出一定量的碳納米管，得到表面既有均勻炭層又有碳納米管包覆的
2、本專利技術所采用的技術方案為：
3、一種硅炭復合材料，所述硅炭復合材料包括硅炭材料，在所述硅炭材料表面包覆有炭層以及碳納米管。
4、上述硅炭復合材料的制備方法，包括如下步驟：
5、s1：將碳管催化劑與溶劑混合，得到催化溶液；
6、s2：將催化溶液霧化后與硅炭材料粉體混合，得到催化劑混合硅炭材料；
7、s3：利用cvd回轉窯爐，將催化劑混合硅炭材料在氮氣氛圍下加熱，然后通入氮氣與低碳烴的混合氣，結束后冷卻，得到表面既有均勻炭層又有碳納米管包覆的硅炭復合材料。
8、優(yōu)選地，步驟s1中，碳管催化劑為過渡金屬催化劑，所述的過渡金屬為鐵、鎳、鈷、鉬、銣中的任一種。
9、優(yōu)選地，步驟s2中，催化溶液中的過渡金屬元素質量與硅炭材料粉體的質量比為10-6～5×10-5：1。
10、優(yōu)選地，步驟s2中，硅炭材料的中值粒徑是5-15μm。
11、優(yōu)選地，步驟s3中，加熱溫度為600-1200℃。
12、優(yōu)選地，步驟s3中，低碳烴為甲烷、乙烷、丙烷；乙烯、丙烯；或乙炔、丙炔中的任一種。
13、優(yōu)選地，步驟s3中，混合氣內氮氣與低碳烴體積比為(0.5-5):1。
14、優(yōu)選地，步驟s2中，催化溶液與硅炭材料的混合在混合器內進行，所述混合器包括：
15、混合罐，用于提供催化溶液與硅炭材料混合的空間，罐體兩側分別設有進液管、進料管；
16、霧化器，安裝在進液管前端，用于將催化溶液霧化后噴入混合罐內；
17、投料管，與進料管相連，用于將硅炭材料投入進料管內；
18、揚塵器，安裝在進料管前端，用于將投入至進料管內的硅炭材料揚起并送至混合罐內；
19、泄壓管，安裝在混合罐頂部，管體上安裝有自動泄壓閥；
20、排料管，安裝在混合罐底部，用于混合后物料的排出，管體上安裝有排料閥。
21、上述的硅炭復合材料在鋰離子電池中的應用，是指利用硅炭復合材料作為鋰離子電池的負極材料制備負極極片，具體方法是將硅炭復合材料與粘結劑以質量比(5-12):1混合后加入去離子水，攪拌6-24h制得懸浮液；再將懸浮液涂覆于銅箔上，于80-120℃下真空干燥10-20h后切片，得到鋰離子電池的負極極片。
22、本專利技術將硅炭材料作為基本結構單元，通過噴霧混合法將碳管催化劑顆粒與硅炭材料充分混合，并將混合所得的催化劑混合硅炭材料作為前驅體，通過碳包覆，最終得到表面既有均勻炭層又有碳納米管包覆的硅炭復合材料。
23、專利技術人經研究發(fā)現(xiàn)，通過噴霧混合法將碳管催化劑與硅炭材料混合后，再利用cvd法進行碳包覆時，混合在硅炭材料中的碳管催化劑可將碳源催化裂解并在硅炭材料表面生長出碳納米管。這種方法制備的硅炭復合材料在硅炭材料表面進行了炭層包覆，并在硅炭材料表面復合了一定比例的碳納米管，不僅能夠降低硅炭材料的比表面積，提高了首次庫倫效率，還能夠很好的降低硅炭材料的阻抗，提高其電化學性能。另外，炭層本身也能夠對充放電過程中硅基材料的體積變化提供緩沖。
24、本專利技術的有益效果為：
25、1、本專利技術通過噴霧混合的方式將含有碳管催化劑的溶液霧化成微米級的液滴，并與硅炭材料粉體進行混合，使碳管催化劑可以均勻分布在硅炭材料表面；
26、2、本專利技術以乙炔氣體等為碳源，利用回轉cvd技術對硅炭材料進行氣相碳源包覆，可以使碳包覆層厚度更加均勻；
27、3、通過連續(xù)式cvd回轉窯爐進行cvd碳包覆工藝，設備的回轉運動可以使負極材料粉體更充分的與碳源裂解產物接觸，使更多的粉體材料被包覆；
28、4、通入cvd回轉窯爐的乙炔及氮氣混合氣體中乙炔與氮氣的體積比可通過流量計進行調節(jié)，方便工藝參數(shù)的變更。
29、5、通過碳管催化劑的催化作用，使碳源在高溫下熱解，并在硅炭材料表面生長出一定數(shù)量的碳納米管和一定厚度的炭層，最終制備成炭層、碳納米管包覆的鋰離子電池負極材料；該材料的首次庫倫效率可以超過89％，且電化學阻抗顯著降低，這為該材料在儲能材料領域的商業(yè)化應用提供了理論基礎；
30、6、本專利技術還可以通過控制催化劑混合硅炭材料中碳管催化劑與硅炭材料的質量比來控制硅炭復合材料的電化學阻抗。
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1.一種硅炭復合材料，其特征在于，所述硅炭復合材料包括硅炭材料，在所述硅炭材料表面包覆有炭層以及碳納米管。
2.權利要求1所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
3.根據(jù)權利要求2所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S1中，碳管催化劑為過渡金屬催化劑，所述的過渡金屬為鐵、鎳、鈷、鉬、銣中的任一種。
4.根據(jù)權利要求3所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S2中，催化溶液中的過渡金屬元素質量與硅炭材料粉體的質量比為10-6～5×10-5：1。
5.根據(jù)權利要求2所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S2中，硅炭材料的中值粒徑是5-15μm。
6.根據(jù)權利要求2所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S3中，加熱溫度為600-1200℃。
7.根據(jù)權利要求2所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S3中，低碳烴為甲烷、乙烷、丙烷；乙烯、丙烯；或乙炔、丙炔中的任一種。
8.根據(jù)權利要求2所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S3中，混合氣內
9.根據(jù)權利要求2所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，步驟S2中，催化溶液與硅炭材料的混合在混合器內進行，所述混合器包括：
10.權利要求1所述的硅炭復合材料在鋰離子電池中的應用，其特征在于，利用硅炭復合材料作為鋰離子電池的負極材料制備負極極片，具體方法是將硅炭復合材料與粘結劑以質量比(5-12):1混合后加入去離子水，攪拌6-24h制得懸浮液；再將懸浮液涂覆于銅箔上，于80-120℃下真空干燥10-20h后切片，得到鋰離子電池的負極極片。
...【技術特征摘要】
1.一種硅炭復合材料，其特征在于，所述硅炭復合材料包括硅炭材料，在所述硅炭材料表面包覆有炭層以及碳納米管。
2.權利要求1所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：
3.根據(jù)權利要求2所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，步驟s1中，碳管催化劑為過渡金屬催化劑，所述的過渡金屬為鐵、鎳、鈷、鉬、銣中的任一種。
4.根據(jù)權利要求3所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，步驟s2中，催化溶液中的過渡金屬元素質量與硅炭材料粉體的質量比為10-6～5×10-5：1。
5.根據(jù)權利要求2所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，步驟s2中，硅炭材料的中值粒徑是5-15μm。
6.根據(jù)權利要求2所述的硅炭復合材料的制備方法，其特征在于，步驟s3中，加熱溫度為600-1200℃。
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：趙明才，張娟，段康康，
申請(專利權)人：江蘇載馳科技股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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