[发明专利]SiCl4原位沉积制备具有微纳结构的硅碳复合材料的方法

说明书

本发明涉及锂离子电池领域，特别公开了一种SiCl₄原位沉积制备具有微纳结构的硅碳复合材料的方法。该SiCl₄原位沉积制备具有微纳结构的硅碳复合材料的方法，其特征为：将石墨置于气氛旋转炉中；将气氛旋转炉抽真空，使炉腔内空气排尽；打开放气阀，在保护气气氛下升温；在汽化炉中将硅源加热，通入载气将硅源气体带入气氛旋转炉中反应；反应结束后降温，取出样品，用氟化氢溶液腐蚀样品去除杂质，固液分离，水洗，真空干燥，过筛，即制得硅碳复合材料。本发明制备的硅碳复合材料用于负极材料性能良好，制作简单、绿色环保，且能够批量制备，适于工业化生产。

（一）技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种SiCl₄原位沉积制备具有微纳结构的硅碳复合材料的方法。

（二）背景技术

由于传统能源汽车(即燃油车)带来污染，近年来已有多个国家相继宣布全面禁售燃油汽车时间表。新能源汽车(即电动汽车)被认为是未来汽车发展主要方向。其中，电池是新能源汽车发展的首要关键与核心部件，电池性能直接影响新能源汽车的应用，电动汽车需要配备高质量、高性能、高比功率的电池。锂离子电池具有工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长等特点使其成为汽车产业发展竞争的焦点。这使得发展更高比能量以及更好循环性能的锂离子电池显得极为迫切。

2016年，我国发布了动力电池能量密度硬性指标，根据《节能与新能源汽车技术路线图》，2020年纯电动汽车动力电池的能量密度目标为350Wh/kg。负极材料作为锂离子电池四大组成部分之一，在提高电池的容量以及循环性能方面起到了重要作用，针对负极材料的研发工作一直处于热门状态，但是在高容量电池等核心技术方面还有许多工作要做。

目前，商业化的石墨负极材料理论比容量仅有372mAh/g，因此，研究开发高容量的锂电负极材料迫在眉睫。硅在常温下可与锂合金化，生成Li₁₅Si₄相，其理论比容量高达4200mAh/g，远高于商业化石墨理论比容量(372mAh/g)，并且来源广泛、成本低廉、环境友好，一直备受科研人员关注，使其成为最具潜力的下一代锂离子电池负极材料之一。然而，硅在充放电过程中存在严重的体积膨胀(~300%)，引起活性物质粉化，与集流体之间电接触恶化，进而引发容量衰减较快、电导率降低，且大电流充放电出现较大的欧姆极化和电化学极化限制了硅负极材料的商业化应用。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种有效抑制硅在充放电过程中体积变化、提高可逆容量与循环性能的SiCl₄原位沉积制备具有微纳结构的硅碳复合材料的方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种SiCl₄原位沉积制备具有微纳结构的硅碳复合材料的方法，包括如下步骤：

（1）将石墨置于气氛旋转炉中；

（2）将气氛旋转炉抽真空至-0.1MPa后关闭真空阀，通入保护气对炉腔充气，使真空度降到0，关闭真空阀，重复三次，使炉腔内空气排尽；

（3）打开放气阀，调节保护气流量并保持稳定，在保护气气氛下升温至500-1000℃；

（4）在汽化炉中将硅源加热，通入载气将硅源气体带入气氛旋转炉中，反应1-6h，直到石墨表面沉积一定量的硅；

（5）停止向气氛旋转炉中通载气与硅源气体后继续通入保护气，待气氛旋转炉降温至100℃以下，取出样品，用氟化氢溶液腐蚀样品去除杂质，固液分离，并用蒸馏水洗涤至中性，真空干燥，过筛，即制得硅碳复合材料。

本发明经过大量的尝试，采用复合化技术，通过气相沉积法制得硅碳复合材料，将纳米硅包覆在石墨表面，以抑制硅在充放电过程中的体积膨胀，同时，利用“缓冲骨架”补偿材料膨胀、提高可逆容量与循环性能，实现硅与碳的多元复合。