[发明专利]一种硅碳复合材料及其制备方法

说明书

一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将正硅酸乙酯、十六烷基三甲基溴化铵、催化剂、过渡金属离子溶于醇溶液中，搅拌得到溶液A；(2)调配醇水混合溶液B；(3)将溶液A加入溶液B，搅拌得到乳浊液C，静置离心得到固态物，清洗干燥，高温煅烧，得到粉末D；(4)将粉末D高温还原，冷却洗涤，气相沉积包覆碳，得到硅碳复合材料。所述硅碳复合材料以硅碳材料为基体，基体中的硅材料和碳材料均匀分布，在基体材料中掺杂过渡金属离子，基体外包覆有碳包覆层。本发明采用液态硅源和液态碳源充分混合后还原烧结，得到硅碳均匀分布的复合负极材料；同时采用过渡金属离子对基体材料进行掺杂，提升材料的导电性和循环稳定性。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，尤其涉及一种硅碳复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为目前最具应用前景的电化学储能设备受到广泛的关注。负极材料是电池中的重要组成部分，是提升电池性能的重要材料之一。相较于目前广泛使用的石墨类负极材料，硅材料具有高理论容量(其理论容量可达到4200mAh/g)，约为碳质材料的十倍，且储量丰富，具有较低的嵌锂电位(Si平均脱锂电位0.4V vs.Li/Li⁺)。

硅材料在脱嵌锂的过程中会面临巨大的体积变化(300％)，导致Si颗粒破裂，结构坍塌，活性物质从集流体上脱落，从而严重影响到电池的循环性能；另外硅材料的导电性较差，存在较大的不可逆容量损失。目前主要采用纳米硅或者氧化亚硅来进行改性，能够有效提升硅基材料的循环性能。纳米尺寸设计能明显减缓膨胀导致的材料破碎，但比表面积大极易发生团聚；此外，出于改善导电性的目的通常会添加入碳材料，但是，由于表面亲和性较差、尺寸不一致的问题，纳米硅与碳材料常常无法均匀分散。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是纳米硅与碳材料难以均匀分散，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种硅碳复合材料及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将正硅酸乙酯、十六烷基三甲基溴化铵、催化剂、过渡金属离子溶于醇溶液中，搅拌得到溶液A；

(2)调配醇水混合溶液B；

(3)将溶液A加入溶液B，搅拌得到乳浊液C，将乳浊液C静置离心得到固态物，清洗干燥，高温煅烧，得到粉末D；

(4)将粉末D高温还原，冷却洗涤，气相沉积包覆碳，得到硅碳复合材料。

CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)起到了表面活性剂和分散剂的作用，同时液相合成也能保证材料分散均一，得到硅碳混合均匀的基体材料。

优选的，步骤(1)中所述正硅酸乙酯和十六烷基三甲基溴化铵的摩尔比为10:1-1:1，更优选为8:1-1:1。

优选的，在所述步骤(1)中加入乙酸锂，所述乙酸锂和正硅酸乙酯的摩尔比为1:1-1:2。乙酸锂在基体中残留Li⁺，起到补锂的作用，同时在分散时协助分散均匀、起到盐析促进反应进行的作用。

优选的，步骤(1)中所述催化剂为草酸，所述醇溶液为无水乙醇溶液，所述过渡金属离子为锰和/或钛，上述过渡金属离子可显著提升硅基材料的电子导电率；步骤(2)中所述浓氨水、乙醇溶液与去离子水的体积比为1:1:0.5-1:3:5。在溶液步骤就进行金属离子的掺杂，使得金属离子分散和掺杂更加均匀。

优选的，步骤(3)中所述搅拌为1000-4000rpm高速搅拌10min后再500-2000rpm均速搅拌1-10h。优选的，步骤(4)中所述高温还原具体为：将粉末D置于容器中，下层放置金属Ca或Mg粉末，通入惰性气体500-800℃高温还原。

优选的，步骤(4)中所述洗涤具体为：用稀盐酸洗涤，再用氢氟酸进行酸洗，随后去离子水洗涤。