硅碳复合材料及其制备方法、二次电池和用电装置与流程

本技术涉及二次电池，特别是涉及一种硅碳复合材料及其制备方法、二次电池和用电装置。

背景技术：

1、二次电池在便携式电子设备、电动汽车等领域有着非常广泛的应用。随着新能源行业的不断发展，用户对二次电池提出了越来越高的使用要求。例如，高能量密度等。

2、硅基材料由于具有较高的容量而被广泛应用于二次电池中。但是由于硅存在高膨胀的特性，并且其导电性差；因此硅基材料在提高二次电池能量密度的同时，同样会影响二次电池的循环性能，限制了电池技术的进一步发展。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种硅碳复合材料及其制备方法、二次电池和用电装置，以缓解二次电池的膨胀，并提升二次电池的循环性能。

2、为了实现上述目的，本技术的第一方面提供一种硅碳复合材料，包括：

3、碳基体，所述碳基体具有孔结构；及

4、硅基材料，分布在所述碳基体的孔结构中；

5、采用扣式电池对所述硅碳复合材料进行充放电，绘出用扣式电池充放电曲线的电压v对充放电容量q进行微分而得的微分值dq/dv与所述电压v之间的关系的曲线图，将0.26v-0.35v之间的微分值dq/dv的最大值记为va，将0.42v-0.52v之间的微分值dq/dv的最大值记为vb，则所述硅碳复合材料满足：va/vb≥1.40。

6、本技术的硅碳复合材料中至少有部分硅基材料分布在碳基体的孔结构内，碳基体可提高硅基材料的导电性，同时还可作为充放电过程中硅基材料体积膨胀的缓冲介质，有效缓解由于硅基材料膨胀而导致的二次电池体积变大的问题。进一步的，通过制备工艺调节，使得硅碳复合材料满足va/vb≥1.40，可有效改善硅碳复合材料的循环性能和首次充放电效率。

7、在一些实施例中，1.42≤va/vb≤1.90。

8、在一些实施例中， 1.50≤va/vb≤1.70。

9、在一些实施例中，所述硅基材料的晶粒尺寸≤6nm。

10、在一些实施例中，所述孔结构的孔径为0.5nm-8nm。

11、在一些实施例中，所述孔结构包括孔径大于等于0.5nm且小于2nm的微孔和孔径为2nm-8nm的介孔。

12、在一些实施例中，所述微孔在所述孔结构中的数量占比为60%-90%。

13、在一些实施例中，所述硅碳复合材料的比表面积为2m2/g-10 m2/g。

14、在一些实施例中，所述硅碳复合材料具有下述特征中的至少一项：

15、(1)所述硅基材料包括硅单质；

16、(2)所述硅基材料的形状包括球形、类球形、片状和线型中的一种或多种；

17、(3)所述碳基体的比表面积为1000 m2/g -2000 m2/g；

18、(4)所述硅基材料在所述硅碳复合材料中的质量占比为35%-60%；

19、(5)所述硅碳复合材料的体积分布粒径dv50为3μm-15μm；

20、(6)所述硅碳复合材料的体积分布粒径dv90小于等于 50μm；

21、(7)所述硅碳复合材料满足：1≤(dv90-dv10)/dv50≤3；

22、(8)所述硅碳复合材料的振实密度为0.8g/cm3-1.2 g/cm3；

23、(9)所述硅碳复合材料在16mpa下的粉末电阻率小于等于5ω·m。

24、在一些实施例中，所述硅碳复合材料的至少部分外表面上还包括碳包覆层。

25、在一些实施例中，所述碳包覆层具有下述特征中的至少一项：

26、(1)所述碳包覆层的材料包括无定形碳；

27、(2)所述碳包覆层的厚度为50nm-200nm。

28、本技术的第二方面提供一种硅碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：

29、制备碳基材；

30、对所述碳基材进行造孔处理，得到具有孔结构的碳基体a；

31、对具有孔结构的所述碳基体a进行孔径调控处理，得到具有孔结构的碳基体b；

32、在具有孔结构的碳基体b的孔结构内沉积硅基材料，制备所述硅碳复合材料；其中，采用扣式电池对所述硅碳复合材料进行充放电，绘出用扣式电池充放电曲线的电压v对充放电容量q进行微分而得的微分值dq/dv与所述电压v之间的关系的曲线图，将0.26v-0.35v之间的微分值dq/dv的最大值记为va，将0.42v-0.52v之间的微分值dq/dv的最大值记为vb，则所述硅碳复合材料满足：va/vb≥1.40。

33、在一些实施例中，所述制备碳基材的步骤包括：将碳材料前驱体进行第一烧结处理，制备所述碳基材。

34、在一些实施例中，所述碳基材的制备满足如下条件中的至少一个：

35、(1)所述第一烧结处理的温度为400℃-800℃；

36、(2)所述第一烧结处理的时间为1h-12h；

37、(3)所述第一烧结处理的气氛包括惰性气体；

38、(4)所述惰性气体包括氮气和氩气中的一种或多种；

39、(5)所述碳材料前驱体包括树脂类碳材料和生物质碳材料中的一种或多种。

40、在一些实施例中，所述造孔处理的步骤包括：采用碱性物质对所述碳基材进行碱刻蚀。

41、在一些实施例中，所述造孔处理满足如下条件中的至少一个：

42、(1)所述碱性物质包括氢氧化钾和氢氧化钠中的一种或多种；

43、(2)所述碱性物质和所述碳基材的质量比为(2-6):1。

44、在一些实施例中，所述孔径调控处理的步骤包括：将所述具有孔结构的碳基体a置于含有第一碳源和惰性气体的混合气体中，进行第一气相沉积。

45、在一些实施例中，第一气相沉积的温度为800℃-1000℃。

46、在一些实施例中，第一气相沉积的温度为850℃-950℃。

47、在一些实施例中，所述第一气相沉积的时间为1h-4h。

48、在一些实施例中，所述第一碳源和所述惰性气体的体积比为(2-5):10。

49、在一些实施例中，所述第一气相沉积还包括下述条件中的至少一项：

50、(1)所述第一碳源包括甲烷、乙烯和乙炔中的一种或多种；

51、(2)所述惰性气体包括氮气和氩气中的一种或多种。

52、在一些实施例中，将所述具有孔结构的碳基体b置于含有硅源和惰性气体的混合气体中，进行第二气相沉积。

53、在一些实施例中，所述第二气相沉积的温度为450℃-650℃。

54、在一些实施例中，所述第二气相沉积的温度为500℃-600℃。

55、在一些实施例中，所述第二气相沉积的时间为4h-8h。

56、在一些实施例中，所述硅源在所述混合气体中的体积占比为10%-40%；和/或，所述惰性气体在所述混合气体中的体积占比为60%-90%。

57、在一些实施例中，所述第二气相沉积还包括下述条件中的至少一项：

58、(1)所述第二气相沉积的压力与大气压的正差值为0.2kpa-0.6kpa；

59、(2)所述硅源包括甲硅烷、乙硅烷和丙硅烷中的一种或多种；

60、(3)所述惰性气体包括氮气和氩气中的一种或多种。

61、在一些实施例中，在所述孔径调控处理的步骤之前，还包括：

62、采用酸性物质去除进行造孔处理后的所述碳基材上残留的所述碱性物质。

63、在一些实施例中，所述制备方法还包括：

64、将所述硅碳复合材料置于含有第二碳源和惰性气体的混合气体中，进行第三气相沉积以在所述硅碳复合材料的至少部分外表面上形成碳包覆层。

65、在一些实施例中，所述第三气相沉积满足如下条件中的至少一个：

66、(1)所述第二碳源包括甲烷、乙烯和乙炔中的一种或多种；

67、(2)所述惰性气体包括氮气和氩气中的一种或多种；

68、(3)所述第二碳源在所述混合气体中的体积占比为5%-20%；

69、(4)所述第三气相沉积的温度为500℃-700℃；

70、(5)所述第三气相沉积的时间为1h-6h。

71、本技术的第三方面提供了一种二次电池，包括负极极片，所述负极极片包括如本技术第一方面的硅碳复合材料或采用如本技术第二方面的方法制备得到的硅碳复合材料。

72、本技术的第四方面提供了一种用电装置，包括本技术第三方面的二次电池。