一种复合硅碳材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及储能，尤其涉及一种复合硅碳材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着新能源汽车、便携式电子设备以及储能系统的快速发展，锂离子电池对高能量密度和长循环寿命的需求不断提高。硅材料具有较高的理论储锂容量，且硅元素资源丰富、环境友好，因此被认为是下一代高比容量锂离子电池负极材料的重要候选。

2、然而，硅材料在实际应用过程中仍存在明显不足：一方面，硅在充放电过程中会发生较大的体积膨胀和收缩，导致电极结构稳定性下降，并影响活性物质的持续利用；另一方面，硅材料与电解液之间的界面稳定性较差，在长期循环过程中容易造成界面阻抗增加以及电化学性能衰减，仍有进一步改善空间。

3、因此，如何在保持硅基负极材料高电容量优势的基础上，兼顾长循环稳定性，仍是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种复合硅碳材料，该材料的导电性、电容量和结构稳定性有所提升。

2、本发明提供一种复合硅碳材料的制备方法，能够得到导电性、电容量和结构稳定性有所提升的材料。

3、本发明提供一种极片，有利于界面持续接触保持循环稳定。

4、本发明提供一种电池，具有高能量密度优势的基础上，兼顾长循环稳定性。

5、本发明提供一种用电设备，具有高电容量优势的基础上，兼顾长循环稳定性。

6、第一方面，本发明提供一种复合硅碳材料，包括合金化纳米硅核，以及包覆在所述合金化纳米硅核至少部分表面的碳包覆层；其中，

7、所述合金化纳米硅核的平均粒径为30-80nm；

8、所述合金化纳米硅核包括硅内核和围设于所述硅内核的表面的硅-金属复合体，所述硅-金属复合体的厚度为8-12nm。

9、在一个可能的实施例中，还包括包覆在所述碳包覆层至少部分外侧表面的聚合物层，所述聚合物层的厚度为1-10nm。

10、在一个可能的实施例中，所述碳包覆层的厚度为2-10nm。

11、在一个可能的实施例中，所述硅-金属复合体中包括金属元素，所述金属元素包括fe、cu、ni、co、ti、v、cr中的至少一种。

12、在一个可能的实施例中，所述碳包覆层为无定形碳层。

13、在一个可能的实施例中，所述聚合物层包括羧甲基纤维素、聚偏氟乙烯、海藻酸钠中的至少一种。

14、第二方面，本发明提供一种第一方面任一项所述复合硅碳材料的制备方法，

15、将等离子体弧区温度控制为1800-2500℃，在连续运行10-15min期间连续通入硅源进行纳米化处理，形成硅核原料；

16、将包括所述硅核原料和金属源的原料体系，在所述等离子体弧区温度为1800-2500℃的条件下，在连续运行15-60min期间进行合金化处理，形成所述合金化纳米硅核；

17、将所述合金化纳米硅核与碳源在450-550℃下进行10-12h碳包覆处理，得到所述复合硅碳材料。

18、在一个可能的实施例中，在所述碳包覆处理后，还包括将所述碳包覆处理的产物与聚合物溶液进行挤压混合处理；再在100-110℃的条件下进行8-12h烘干处理得到所述复合硅碳材料。

19、在一个可能的实施例中，所述碳包覆处理的产物与所述聚合物溶液的质量比为（95-100）：2，所述聚合物溶液中聚合物含量为2-2.5wt.%。

20、在一个可能的实施例中，在所述碳包覆处理后，还包括对所述碳包覆处理的产物进行筛分解聚处理后，再进行所述挤压混合处理。

21、在一个可能的实施例中，所述硅源中的硅元素和所述金属源中的金属元素的质量比为（8-10）：1。

22、在一个可能的实施例中，所述碳源的质量是所述合金化纳米硅核质量的2-3%。

23、第三方面，本发明提供一种极片，包括本发明第一方面任一项所述复合硅碳材料，或通过本发明第二方面任一项所述方法得到的所述复合硅碳材料。

24、第四方面，本发明提供一种电池，包括本发明第三方面所述极片。

25、在一个可能的实施例中，所述电池为固态电池，所述固态电池包括固态电解质层，所述固态电解质层中的固态电解质材料包括锂硫磷氯固态电解质、硫化锂-五硫化二磷复合硫化物固态电解质、锗掺杂锂磷硫固态电解质中的一种。

26、第五方面，本发明提供一种用电设备，包括本发明第四方面所述电池。

27、本发明提供一种复合硅碳材料及其制备方法和应用。该材料通过构建合金化纳米硅核、碳包覆层的复合结构，实现对硅基负极材料结构稳定性和电化学性能的协同优化。其中，合金化纳米硅核采用平均粒径为30-80 nm的纳米硅作为主体，在纳米硅表面形成厚度为8-12 nm的硅-金属复合体，使合金化区域主要分布于颗粒表层，在保持纳米硅高比容量优势的同时，提高颗粒表面的结构稳定性和导电性能。进一步地，在合金化纳米硅核外侧包覆碳包覆层，能够构建连续的电子传输通路，并对纳米硅颗粒提供缓冲和保护作用，减少颗粒间直接接触及界面失稳。通过上述复合结构，在充放电过程中能够有效缓解硅材料体积变化带来的结构损伤，提高颗粒整体稳定性，改善电子传输能力，降低界面副反应，在兼顾高比容量的同时实现优异的综合电化学性能。

1.一种复合硅碳材料，其特征在于，包括合金化纳米硅核，以及包覆在所述合金化纳米硅核至少部分表面的碳包覆层；其中，

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，还包括包覆在所述碳包覆层至少部分外侧表面的聚合物层，所述聚合物层的厚度为1-10nm；和/或，所述碳包覆层的厚度为2-10nm。

3.根据权利要求2所述的材料，其特征在于，所述硅-金属复合体中包括金属元素，所述金属元素包括fe、cu、ni、co、ti、v、cr中的至少一种；和/或，

4.一种权利要求1-3任一项所述复合硅碳材料的制备方法，其特征在于，将等离子体弧区温度控制为1800-2500℃，在连续运行10-15min期间连续通入硅源进行纳米化处理，形成硅核原料；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述碳包覆处理后，还包括将所述碳包覆处理的产物与聚合物溶液进行挤压混合处理；再在100-110℃的条件下进行8-12h烘干处理得到所述复合硅碳材料。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述碳包覆处理的产物与所述聚合物溶液的质量比为（95-100）：2，所述聚合物溶液中聚合物含量为2-2.5wt.%。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述硅源中的硅元素和所述金属源中的金属元素的质量比为（8-10）：1。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述碳包覆处理后，还包括对所述碳包覆处理的产物进行筛分解聚处理后，再进行所述挤压混合处理。

9.根据权利要求4-8任一项所述的方法，其特征在于，所述碳源的质量是所述合金化纳米硅核质量的2-3%。

10.一种极片，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述复合硅碳材料，或通过权利要求4-9任一项所述方法得到的所述复合硅碳材料。

11.一种电池，其特征在于，包括权利要求10所述极片。

12.根据权利要求11所述的电池，其特征在于，所述电池为固态电池，所述固态电池包括固态电解质层，所述固态电解质层中的固态电解质材料包括锂硫磷氯固态电解质、硫化锂-五硫化二磷复合硫化物固态电解质、锗掺杂锂磷硫固态电解质中的一种。

13.一种用电设备，其特征在于，包括权利要求11或12所述电池。