[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法和应用有效

专利信息
申请号: 202110887321.8 申请日: 2021-08-03
公开(公告)号: CN113611844B 公开(公告)日: 2022-06-10
发明(设计)人: 李新禄;王雲锴 申请(专利权)人: 重庆锦添翼新能源科技有限公司;惠州市金龙羽电缆实业发展有限公司
主分类号: H01M4/38 分类号: H01M4/38;H01M4/62;H01M10/0525
代理公司: 北京慕达星云知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 11465 代理人: 杨秋妹
地址: 400000 重庆市九*** 国省代码: 重庆;50
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摘要:
搜索关键词: 一种 复合材料 及其 制备 方法 应用
【说明书】:

发明公开了一种硅碳复合材料及其制备方法和应用,采用化学气相沉积法制备出表面长有碳纳米管的经碳纳米增韧剂原位增韧的石墨烯泡沫体,然后将表面长有碳纳米管或碳纳米片的Si粉或SiOx粉负载在石墨烯泡沫体内,制备出具有新型结构的基于硅碳复合材料的柔性电极,以用作半固态、准固态或全固态电池的负极。本发明制备出的硅碳复合材料具有高容量、高循环稳定性的特点,而且与固态电解质具有优良的界面浸润性、稳定性和离子/电子传导性,无需集流体,显著提高了固态电池的能量密度和功率密度。

技术领域

本发明涉及锂离子电池与石墨烯材料交叉技术领域,更具体的说是涉及一种硅碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池作为一种高能量密度的二次电池被广泛应用在手机、数码、 3C等产品领域。近年来,为了摆脱对石油能源结构的过分依赖以及积极应对环境污染等问题,我国大力支持鼓励发展电动汽车,锂离子电池作为电动汽车的动力核心部件迎来了蓬勃发展。但是,为了实现电动汽车更高的续航里程,锂离子电池的安全性、能量密度和功率密度有待提高。而电极材料作为决定电池性能的关键因素,现有的石墨负极材料已很难满足锂离子电池实现更高能量密度的要求,因此,研发高容量、成本可控的下一代新型负极材料具有十分重要的科研价值和应用前景。

硅因为其超高的理论容量(4200mA h g-1,Li22Si5),丰富的地球储量,无毒无污染,以及和石墨相近的放电平台成为最具潜力的下一代锂离子电池负极材料。但是Si在充放电过程中严重的体积膨胀和收缩效应会使材料粉化,导致活性材料从集流体上脱落,容量快速衰减,限制其商业化应用。另外,硅基负极材料的另一个缺点是导电性差,不利于电子的传输和锂离子的扩散,从而削弱了材料的倍率性能和循环稳定性。

近几年来,研究者发现石墨烯泡沫体具有连通的三维多孔结构,孔结构发达、比表面积丰富、柔性强,最有希望发展成为一种强导电性的柔性电极基底材料。但是石墨烯泡沫体机械强度低、表面光滑,导致其他材料在其表面负载时易于脱落、破碎等。

因此,如何提供一种利用石墨烯泡沫体和硅基体结合且械强度高、界面稳定性强的复合材料是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此,本发明提供了一种硅碳复合材料及其制备方法和应用,采用化学气相沉积法制备出表面长有碳纳米管的经碳纳米增韧剂原位增韧的石墨烯泡沫体,然后将表面长有碳纳米管或碳纳米片的Si粉或SiOx粉负载在石墨烯泡沫体内,制备出具有新型结构的基于硅碳复合材料的柔性电极,以用作半固态、准固态或全固态电池的负极。

为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:

一种硅碳复合材料的制备方法,包括以下步骤:

步骤一:金属泡沫体预处理

将金属泡沫体浸泡于0.1-3M的盐酸中,50-100W超声清洗10-30min,然后用去离子水清洗干净残留盐酸;

步骤二:碳纳米增韧剂的负载

将碳纳米增韧剂分散于浓度为0.1-5g/L的表面活性剂水溶液中,形成碳纳米增韧剂浓度为0.1-0.5g/L的溶液A,然后将溶液A均匀涂覆至步骤一处理后的金属泡沫体上,然后-0.1MPa条件下干燥4-8h,碳纳米增韧剂在金属泡沫体上的负载量为0.1-5mg/cm2

步骤三:CVD生长石墨烯泡沫体

将步骤二所得的泡沫体于管式炉内于-0.1-0.15MPa条件下通入惰性气体升温至800-1200℃保持恒温,然后通入氢气除去泡沫体表面杂质,之后通入碳源气体和氢气的混合气,两者的气体流量比为(1:1)-(1:30),并继续保持恒温生长5-30min,最后通入惰性气体,并以10-200℃/min的速率降至室温,得到碳纳米增韧剂原位增韧的泡沫体;

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