本發(fā)明涉及碳硅材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、新能源行業(yè)快速發(fā)展的今天，提升負(fù)極材料的比容量對(duì)提高鋰電池能量密度具有重要意義。目前商用主流負(fù)極是石墨類(lèi)材料，其比容量已經(jīng)達(dá)到理論上線372mah/g，而同族的硅材料理論比容量高達(dá)4200mah/g，是目前已知克容量最高的負(fù)極材料，極具應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。

2、然而，硅負(fù)極充放電過(guò)程中存在嚴(yán)重的體積形變，膨脹率高達(dá)300％，直接導(dǎo)致電池極片的結(jié)構(gòu)破壞和機(jī)械粉碎，嚴(yán)重限制了其商業(yè)應(yīng)用。為解決上述問(wèn)題，硅納米化、與石墨類(lèi)材料復(fù)配是兩種主流的解決思路。石墨烯作為“明星材料”，近年來(lái)廣泛被引入硅碳負(fù)極體系，能夠顯著的緩沖硅的體積膨脹，達(dá)到提升材料循環(huán)性能的目的。

3、cn106941169b報(bào)道了一種多孔石墨烯/硅復(fù)合的負(fù)極材料，通過(guò)引入柔性石墨烯提升材料導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性，同時(shí)還將石墨片層平面二維結(jié)構(gòu)對(duì)離子傳輸?shù)淖璧K作用降到最低。但該工藝仍需利用瀝青和石墨進(jìn)行后續(xù)的噴霧造粒，產(chǎn)品的首次庫(kù)倫效率和極片滿電膨脹率也沒(méi)有進(jìn)行報(bào)道。

4、cn111498829b報(bào)道了一種石墨烯基硅碳負(fù)極材料，通過(guò)凝膠包覆層和氧化石墨烯之間的靜電吸附，制備了石墨烯包覆的硅碳負(fù)極材料。但所述材料比容量偏低(＜700mah/g)，未來(lái)難以滿足對(duì)高容量硅碳負(fù)極的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的硅碳材料的技術(shù)缺陷，提供了一種新型硅碳材料，具有比容量高、體積膨脹小、循環(huán)壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

2、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明提供一種硅碳材料，該硅碳材料包括碳骨架和沉積在碳骨架上的硅單質(zhì)；所述硅碳材料的拉曼光譜在波數(shù)為1350cm-1-1650cm-1范圍內(nèi)具有d峰和g峰，且id/ig為1.0～1.5；在460cm-1-480cm-1范圍內(nèi)具有硅單質(zhì)的譜峰。

3、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明提供本發(fā)明所述硅碳材料的制備方法，該方法包括如下步驟：

4、采用氣相沉積法在碳骨架材料上沉積硅單質(zhì)；碳骨架材料的拉曼光譜在波數(shù)為1350cm-1-1650cm-1范圍內(nèi)具有d峰和g峰，且id/ig為1.0～1.5，比表面積為300-500m2/g。

5、根據(jù)本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明提供本發(fā)明所述硅碳材料在作為電池負(fù)極材料中的應(yīng)用；優(yōu)選在作為鋰電池負(fù)極材料中的應(yīng)用。

6、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)異效果如下：

7、1)本發(fā)明所提供的硅碳材料為硅沉積包覆碳骨架的結(jié)構(gòu)，可通過(guò)自身的楊氏模量抵御體積膨脹帶來(lái)的應(yīng)力，可有效抑制硅的體積膨脹率，所得硅碳材料的滿電膨脹率＜30％；

8、2)本發(fā)明所提供的硅碳材料中碳為骨架結(jié)構(gòu)，硅通過(guò)氣相沉積的方法沉積在其表面，避免了傳統(tǒng)工藝中碳與硅的分散問(wèn)題，解決了由于碳材料引起的鋰離子傳輸受阻的問(wèn)題，同時(shí)避免了硅在碳材料表面分散不均勻造成的局部膨脹過(guò)大。

9、3)本發(fā)明所提供的硅碳材料由于采用氣相沉積的工藝，避免了傳統(tǒng)以多孔碳為基底的復(fù)合材料由于比表面積大而造成的加工困難問(wèn)題。

技術(shù)特征：

1.一種硅碳材料，其特征在于，該硅碳材料包括碳骨架和沉積在碳骨架上的硅單質(zhì)；所述硅碳材料的拉曼光譜在波數(shù)為1350cm-1-1650cm-1范圍內(nèi)具有d峰和g峰，且id/ig為1.0～1.5；在460cm-1-480cm-1范圍內(nèi)具有硅單質(zhì)的譜峰。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅碳材料，其中，所述硅碳材料的克容量≥1500mahg-1，進(jìn)一步優(yōu)選≥1800mahg-1；和/或首次庫(kù)倫效率≥85％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的硅碳材料，其中，以所述硅碳材料為基準(zhǔn)，碳骨架的質(zhì)量百分含量為30wt％～70wt％，優(yōu)選為40wt％～60wt％；硅單質(zhì)的質(zhì)量百分含量為30wt％～70wt％，優(yōu)選為40wt％～60wt％。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的硅碳材料，其中，

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的硅碳材料，其中，

6.一種權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述硅碳材料的制備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其中，

8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制備方法，其中，

9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任意一項(xiàng)所述的制備方法，其中，碳骨架材料的制備方法包括：石墨烯采用水蒸氣進(jìn)行熱處理，之后進(jìn)行真空干燥；

10.一種權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述硅碳材料在作為電池負(fù)極材料中的應(yīng)用；優(yōu)選在作為鋰電池負(fù)極材料中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種硅碳材料及其制備方法和應(yīng)用，該硅碳材料包括碳骨架和沉積在碳骨架上的硅單質(zhì)；所述硅碳材料的拉曼光譜在波數(shù)為1350cm<supgt;?1</supgt;?1650cm<supgt;?1</supgt;范圍內(nèi)具有D峰和G峰，且ID/IG為1.0～1.5；在460cm<supgt;?1</supgt;?480cm<supgt;?1</supgt;范圍內(nèi)具有硅單質(zhì)的譜峰。本發(fā)明所提供的硅碳材料為硅沉積包覆碳骨架的結(jié)構(gòu)，薄膜硅在Z軸方向的厚度遠(yuǎn)小于150納米的臨界尺寸，可通過(guò)自身的楊氏模量抵御體積膨脹帶來(lái)的應(yīng)力，可有效抑制硅的體積膨脹率，所得硅碳材料的滿電膨脹率＜30％。

技術(shù)研發(fā)人員：孫賽,鄧潔,張絲雨,蔣建忠
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)石油化工股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15