[发明专利]一种硅碳复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种硅碳复合材料的制备方法，向流化床反应器中添加碳基材料，再通入惰性气体置换流化床反应器中的空气，然后抽真空，使得流化床反应器内形成真空环境；将硅源气体通入所述形成真空环境的流化床反应器内，进行化学气相沉积，使得纳米硅颗粒沉积于碳基材料上，采用上述间隙式周期反复抽气和充气沉积处理，制得硅碳复合材料的前驱体；将碳源气体通入流化床反应器内，进行化学气相沉积，使得碳沉积于所述前驱体上，获得硅碳复合材料。

技术领域

本发明涉及一种硅碳复合材料的制备方法。

背景技术

目前，锂电池负极商业化以人造/天然石墨为主，但已接近其理论比容量极限（372mAh/g）。硅的理论比容量高达 4200mAh/g，是目前石墨类负极材料的 10 倍以上，不存在析锂隐患，安全性好于石墨类负极材料，且储量丰富，成本低廉，是最具潜力的下一代锂电池负极材料。然而，由于硅材料在充放电过程中与锂合金化反应，存在严重的体积效应（膨胀率可达 300%），同时由于膨胀效应会导致负极表面的SEI膜重复破裂、形成，最终导致循环性能及库伦效率较差，需改性方能应用。硅负极材料改性主要包括纳米化、碳包覆等手段形成硅碳复合材料来提升循环性能。硅纳米化有利于应力释放，当粒径＜150nm时，体积效应减弱，纳米硅在充放电过程中会膨胀但不容易破碎，可提升循环性能。主要包括纳米颗粒、纳米线、纳米片等，可以提高材料的结构稳定性，缓冲材料的体积膨胀，并且可以增加材料的活性界面；碳包覆可提升硅颗粒导电性，提升倍率性能，防止纳米硅团聚，完整的碳包覆可减小硅材料与电解液直接接触，抑制 SEI 膜过度生长，稳定界面，提升库仑效率。

硅基负极材料的制备工艺复杂，无标准化工艺，技术难度主要在硅材料纳米化及与碳材料复合的制备工艺方面，当前采用较普遍的制备方法主要有化学气相沉积法、机械球磨法、溶胶凝胶法、高温热解法，其中前两者适合于工业化生产。机械球磨法是采用砂磨机将微米硅粉研磨成纳米硅浆料后与石墨复合、再干燥后制备成硅碳复合材料，但是该工艺纳米硅研磨时间长、能耗高、且纳米硅颗粒团聚严重，工艺路线较长。化学气相沉积法制备的硅碳复合材料组分间连接紧密、结合力强，充放电过程中活性物质不易脱落，具有优良的循环稳定性，且不易出现团聚现象。

中国发明专利说明书CN107170979A、CN102214817A、CN107528055A均公开了一种采用化学气相沉积技术制备硅碳复合材料的制备方法，但是采用静态沉积，易造成颗粒材料团聚、包覆的涂层不均，从而影响材料的性能。

中国发明专利说明书CN109119627A公开了一种高性能硅碳基负极的制备方法及装置，采用振动流化气相沉积技术对硅碳基材料进行碳涂层构筑，解决了包覆涂层不均匀的问题，但未能解决纳米硅与石墨的复合问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种硅碳复合材料的制备方法，以解决单纯的纳米硅制备或碳包覆存在的问题，解决纳米硅制备、硅与石墨复合、碳均匀包覆等问题。

一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

S1、向流化床反应器中添加碳基材料，再通入惰性气体置换流化床反应器中的空气，然后抽真空，使得流化床反应器内形成真空环境；

S2、将硅源气体通入所述形成真空环境的流化床反应器内，进行化学气相沉积，使得纳米硅颗粒沉积于碳基材料上，制得硅碳复合材料的前驱体；

S3、将碳源气体通入流化床反应器内，进行化学气相沉积，使得碳沉积于所述前驱体上，获得硅碳复合材料。

进一步地，所述流化床反应器包括具有内腔的本体，所述本体的底部设有与内腔连通的进气口，本体的顶部设有与内腔连通的出气口，所述出气口连通有过滤器，过滤器的出口连通有抽真空单元，本体上设有与内腔连通的加料口；所述内腔内设有挡板，所述挡板上设有多个通孔，所述加料口位于挡板和出气口之间；所述内腔外套有感应线圈，所述感应线圈位于本体的侧壁内。可选的，还包括与感应线圈匹配的中频电源，实现中频感应加热。