碳復合材料及其制備方法及電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電池領域，特別是涉及一種碳復合材料及其制備方法及電池。
【背景技術】
[0002]與傳統地石墨負極材料相比，硅具有超高的理論比容量(4200mAh/g)和較低的脫鋰電位(<0.5V)，且硅的電壓平臺略高于石墨，在充電時不容易發生表面析鋰行為，安全性能更好，因此成為電池的負極材料新的研究方向。
[0003]但是，由于硅是半導體材料，作為電池負極材料時，自身電導率較低，鋰離子在充放電過程中的嵌入和脫出會使硅體積發生300%以上的膨脹和收縮，會使粉體材料結構逐漸坍塌，最終導致電極活性物質與集流體脫離，導致電池循環性能大大降低。
[0004]為改善娃材料的循環性能，提尚循環穩定性，同時提尚娃材料的導電性。通常將娃材料與碳材料復合化，因為碳材料具有較高的電子電導率和離子電導率，可顯著改善硅基材料的倍率性能，抑制硅在循環過程中的體積效應以及改善硅基材料的導電性能。
[0005]但是，傳統的復合材料的循環性能還有待提高。
【發明內容】
[0006]基于此，有必要針對現有的復合材料循環性能差的問題，提供一種循環性能高的碳復合材料。
[0007]—種碳復合材料，包括內核、包覆在所述內核外的中間層、以及包覆在所述中間層外的外層;所述內核為石墨，所述中間層為硅基材料或錫基材料，所述外層為多孔碳。
[0008]上述碳復合材料，硅基材料或錫基材料位于石墨和多孔碳之間，從而可以有效抑制硅基材料或錫基材料粉化;并且由于多孔碳的多孔性，其預留了足夠的空間，緩沖硅基材料或錫基材料在循環過程中的自身膨脹產生的周期性應力，從而也避免了硅基材料或錫基材料粉化、塌陷，提高結構穩定性;故而本發明的碳復合材料具有良好的循環性能。另外，多孔碳位于碳復合材料的外層，可以有效的阻止硅基材料或錫基材料直接與電解液接觸而發生氧化還原反應，有效降低了不可逆容量。其次，多孔碳具有良好的導電性能，從而可以有效提升碳復合材料的導電性能;并且多孔碳由于其多孔性，還有利于鋰離子的脫嵌。
[0009]在其中一個實施例中，所述硅基材料為納米硅纖維;所述錫基材料為納米錫纖維。
[0010]在其中一個實施例中，所述石墨的平均粒徑為5?40μηι。
[0011]在其中一個實施例中，所述中間層的厚度為20?lOOnm。
[0012]在其中一個實施例中，所述外層的厚度為100?500nm。
[0013]在其中一個實施例中，所述碳復合材料的平均粒徑為5?50μηι。
[0014]在其中一個實施例中，以所述碳復合材料的質量為基準，所述石墨占85?98wt%，所述中間層占I?10wt%，所述多孔碳占I?5wt%。
[0015]本發明還提供了一種上述碳復合材料的制備方法。
[0016]一種碳復合材料的制備方法，包括如下步驟:
[0017]將硅基材料或錫基材料包覆到石墨粒子上，得到第一核殼材料；
[0018]將所述第一核殼材料與碳前驅體均勻分散于分散劑中，在160?180°C溫度下，在0.15MPa?0.3MPa的壓力下，反應3?6h，得到碳復合材料。
[0019]上述制備方法，工藝容易控制，產能大，有利于碳復合材料的工業化大規模生產。
[0020]在其中一個實施例中，將硅基材料或錫基材料包覆到石墨粒子上采用氣相沉積法包覆。
[0021]在其中一個實施例中，所述碳前驅體選自纖維素、蔗糖、葡萄糖、果糖、麥芽糖、和淀粉中的一種或幾種。
[0022 ]本發明還提供了一種電池。
[0023]—種電池，其包括本發明所提供的碳復合材料。
[0024]上述電池，由于采用本發明所提供的碳復合材料，故而電池具有良好的循環性能，且不可逆容量低。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發明實施例一的碳復合材料的SEM圖。
[0026]圖2為本發明對比例一的碳復合材料的SEM圖。
[0027]圖3為本發明實施例一及對比例一的碳復合材料的電池循環性能圖。
【具體實施方式】
[0028]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合【具體實施方式】，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的【具體實施方式】僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0029]—種碳復合材料，包括內核、包覆在內核外的中間層、以及包覆在中間層外的外層；內核為石墨，中間層為硅基材料或錫基材料，外層為多孔碳。
[0030]其中，石墨作為碳復合材料的內核，用于承載中間層以及外層。本發明的石墨可以是天然石墨或人造石墨，更具體地，天然石墨優選采用鱗片石墨。優選地，石墨的平均粒徑為5?40μηι。這樣有利于碳復合材料具有合適的尺寸，有利于碳復合材料性能的發揮。優選地，以碳復合材料的質量為基準，石墨占85?98wt %。也就是說，石墨在碳復合材料中的百分比為85?98wt%。這樣可使碳復合材料的綜合性能較優，滿足電池對負極材料的需求。[0031 ]其中，硅基材料可以是單質硅、亦或硅的氧化物，還可以是硅金屬化合物。本發明的硅基材料優選為納米硅纖維。錫基材料可以是單質錫或者氧化錫，本發明的錫基材料優選為納米錫纖維。
[0032]優選地，中間層的厚度為20?lOOnm。
[0033]優選地，以碳復合材料的質量為基準，硅基材料或錫基材料占I?10wt%。也就是說，娃基材料或錫基材料在碳復合材料中的百分比為I?1wt % O這樣可使碳復合材料的綜合性能較優，滿足電池對負極材料的需求。
[0034]其中，多孔碳位于碳復合材料的外層。多孔碳可以避免硅材料與電解液直接接觸而帶來的不良影響，由于多孔碳與電解液的接觸性能較好，從而改善整個碳復合材料與電解液的接觸性能。
[0035]優選地，多孔碳的孔徑為2?lOOnm。這樣可以更加有利于鋰離子的脫嵌，以及SEI膜的形成。
[0036]優選地，外層的厚度為100?500nm。這樣有利于鋰離子的脫嵌，同時有利于提高碳復合材料的比容量。
[0037]優選地，以碳復合材料的質量為基準，多孔碳占I?1wt%。也就是說，多孔碳在碳復合材料中的百分比為I?I Owt %。這樣有利于提高碳復合材料的比容量。
[0038]其中，碳復合材料的平均粒徑為5?50μπι。這樣更有利于后期涂覆在集流體上。
[0039]優選地，在碳復合材料中，石墨占85?98wt%，中間層占I?10wt%，多孔碳占I?5wt% ο
[0040]上述碳復合材料，硅基材料或錫基材料位于石墨和多孔碳之間，從而可以有效抑制硅基材料或錫基材料粉化;并且由于多孔碳的多孔性，其預留了足夠的空間，緩沖硅基材料或錫基材料在循環過程中的自身膨脹產生的周期性應力，從而也避免了硅基材料或錫基材料粉化、塌陷，提高結構穩定性;故而本發明的碳復合材料具有良好的循環性能。另外，多孔碳位于碳復合材料的外層，可以有效的阻止硅基材料或錫基材料直接與電解液接觸而發生氧化還原反應，有效降低了不可逆容量。其次，多孔碳具有良好的導電性能，從而可以有效提升碳復合材料的導電性能;并且多孔碳由于其多孔性，還有利于鋰離子的脫嵌。
[0041 ]本發明還提供了一種上述碳復合材料的制備方法。