本發(fā)明涉及鋰電池電極制備，特別涉及一種炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著鋰電行業(yè)的快速發(fā)展，鋰電負極和正極材料的需求快速增長，這對負極和正極電池材料熱處理用匣缽的需求量加大，性價比要求提高。石墨作為負極粉和磷酸鐵鋰正極材料熱處理用匣缽得到大量應(yīng)用，但石墨的強度較低，易碎，且抗侵蝕性差，用于焙燒的鋰電池正極材料多為粉末狀，滲透能力強，材料中的鋰離子屬于強堿性物質(zhì)，強堿物質(zhì)對匣缽材料具有很強的侵蝕性，鋰電池正極材料焙燒過程中，由于鋰離子與匣缽的接觸過程中，鋰離子能夠?qū)⒛獊硎械膕i、al、mg等離子析出，從而破壞匣缽的微觀結(jié)構(gòu)，匣缽遭受到侵蝕，導(dǎo)致匣缽的使用壽命明顯縮短。

2、炭/炭復(fù)合材料是一種炭纖維增強炭基體復(fù)合材料，具有密度低、比強度和比模量高、耐高溫耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小、尺寸穩(wěn)定性好、可設(shè)計性強等優(yōu)異性能而廣泛應(yīng)用于軍工和民用領(lǐng)域。

3、因此，亟需設(shè)計一種基于炭/炭復(fù)合材料的鋰電池負極粉和磷酸鐵鋰材料熱處理用匣缽，從根本上解決其強度和成本問題，以提高鋰電池負極粉和磷酸鐵鋰材料熱處理用匣缽的使用壽命。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有石墨匣缽強度低、易氧化、使用壽命短的缺陷，本發(fā)明提供了一種炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽及其制備方法與應(yīng)用。采用化學(xué)氣相共沉積增密技術(shù)進行致密化，再高溫處理，機械加工，最后采用化學(xué)氣相共沉積涂層工藝進行表面涂層，制備得到炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽，包裹炭纖維生長的熱解炭和碳化硅比例呈梯度分布，匣缽芯部到內(nèi)、外表面的熱解炭和碳化硅比例呈梯度分布強度高，同時降低了表面炭含量以及高溫下匣缽表面與氧的反應(yīng)速度，從根本上解決目前鋰電用匣缽的強度和易氧化問題，有效提高匣缽的使用壽命。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

2、一種炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽的制備方法，包括：含硅炭纖維復(fù)合匣缽預(yù)制件經(jīng)化學(xué)氣相共沉積增密工藝、化學(xué)氣相共沉積涂層工藝制得炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽；

3、所述含硅炭纖維復(fù)合預(yù)制件的制備方法包括：

4、由面密度為280～600g/m2的炭纖維平紋布或炭纖維斜紋布與面密度為80～120g/m2的短纖維網(wǎng)胎針刺成整體，形成炭纖維匣缽預(yù)制體；

5、其中，所述炭纖維平紋布或炭纖維斜紋布與短纖維網(wǎng)胎的重量比控制在9∶1～7∶3，密度0.45～0.8g/cm3，厚度為15～25mm；

6、將炭纖維匣缽預(yù)制體套在模具上，使炭纖維匣缽預(yù)制體的內(nèi)表面與模具的外形面貼合良好，然后噴淋或浸漬含硅前驅(qū)體的樹脂和/或含硅有機粘結(jié)劑，放置1～3小時，放入真空烘箱中固化定型，溫度控制在150～300℃，保溫1～5小時，降溫，脫模，得到定型的含硅炭纖維復(fù)合預(yù)制體。

7、優(yōu)選地，所述模具為鋼制模具或石墨模具的任意一種。

8、優(yōu)選地，所述含硅前驅(qū)體的樹脂為酚醛樹脂或呋喃樹脂與聚甲基硅烷的混合物。

9、優(yōu)選地，所述化學(xué)氣相共沉積增密工藝中碳源氣與三氯甲基硅烷氣體的體積比為9∶1～2∶8。

10、優(yōu)選地，所述碳源氣為天然氣或丙烷或丙烯或者其中任意兩種的混合氣。

11、優(yōu)選地，所述化學(xué)氣相共沉積增密工藝具體為：一路氣體為三氯甲基硅烷為碳化硅前驅(qū)體，氫氣為稀釋氣體，氮氣或氬氣為載氣，另一路氣為碳源氣+氫氣，按比例地同時通入沉積室，沉積溫度1000～1120℃，爐壓為1.5～10kpa，增密時間150～300小時，將含硅炭纖維復(fù)合預(yù)制件增密到1.4～1.6g/cm3后，進行高溫處理，處理溫度為1300～2000℃，保溫時間2～10小時，然后機加到產(chǎn)品尺寸，得到炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽。

12、優(yōu)選地，所述共沉積化學(xué)氣相沉積涂層工藝具體為：一路氣體為三氯甲基硅烷為碳化硅前驅(qū)體，氫氣為稀釋氣體，氮氣或氬氣為載氣，另一路氣為碳源氣和氫氣，按比例同時通入沉積室，碳源氣與三氯甲基硅烷氣體的體積比為1∶9～5∶5氣體的體積比沉積溫度1050～1150℃，爐壓為1.5～10kpa，涂層時間為10～50小時，得到炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料，密度1.5～1.8g/cm3。

13、一種上述的制備方法所制備的炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽。

14、一種上述的炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽在制備鋰電池電極材料中的應(yīng)用。

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

16、本發(fā)明設(shè)計制備的一種炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽，預(yù)制件固化定型時在樹脂或有機粘結(jié)劑中加入碳化硅前驅(qū)體聚甲基硅烷，得到含碳化硅前驅(qū)體的炭纖維復(fù)合預(yù)制件，經(jīng)升溫碳化時，得到的預(yù)制件含有碳化硅；然后采用化學(xué)氣相共沉積增密，同時沉積熱解炭和碳化硅基體，使包裹炭纖維生長的熱解炭和碳化硅基體同時沉積，在沉積過程中，通過調(diào)整二者的比例，得到梯度結(jié)構(gòu)，纖維表面到熱解炭和碳化硅基體表面的炭和碳化硅比例呈梯度由低到高分布；最后，采用化學(xué)氣相共沉積工藝涂層時，提高碳化硅的比例，可以進一步在匣缽中形成從芯部到表面的熱解炭炭和碳化硅的梯度結(jié)構(gòu)，得到的炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽強度高，耐腐蝕性好，可以有效降低或避免匣缽內(nèi)外表面層與氧反應(yīng)，相較于石墨匣缽(一般使用壽命4～5個月)，提高了匣缽的使用壽命50％以上，適合鋰電池領(lǐng)域用匣缽的批量生產(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽的制備方法，其特征在于，包括：含硅炭纖維復(fù)合匣缽預(yù)制件經(jīng)化學(xué)氣相共沉積增密工藝、化學(xué)氣相共沉積涂層工藝制得炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述模具為鋼制模具或石墨模具的任意一種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述含硅前驅(qū)體的樹脂為酚醛樹脂或呋喃樹脂與聚甲基硅烷的混合物。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述化學(xué)氣相共沉積增密工藝中碳源氣與三氯甲基硅烷氣體的體積比為9∶1～2∶8。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述碳源氣為天然氣或丙烷或丙烯或者其中任意兩種的混合氣。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述化學(xué)氣相共沉積增密工藝具體為：一路氣體為三氯甲基硅烷為碳化硅前驅(qū)體，氫氣為稀釋氣體，氮氣或氬氣為載氣，另一路氣為碳源氣+氫氣，按比例地同時通入沉積室，沉積溫度1000～1120℃，爐壓為1.5～10kpa，增密時間150～300小時，將含硅炭纖維復(fù)合預(yù)制件增密到1.4～1.6g/cm3后，進行高溫處理，處理溫度為1300～2000℃，保溫時間2～10小時，然后機加到產(chǎn)品尺寸，得到炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述共沉積化學(xué)氣相沉積涂層工藝具體為：一路氣體為三氯甲基硅烷為碳化硅前驅(qū)體，氫氣為稀釋氣體，氮氣或氬氣為載氣，另一路氣為碳源氣和氫氣，按比例同時通入沉積室，碳源氣與三氯甲基硅烷氣體的體積比為1∶9～5∶5氣體的體積比沉積溫度1050～1150℃，爐壓為1.5～10kpa，涂層時間為10～50小時，得到炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料，密度1.5～1.8g/cm3。

8.權(quán)利要求1-7任一項所述的制備方法所制備的炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽。

9.權(quán)利要求8所述的炭/炭-碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽在制備鋰電池電極材料中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本申請涉及一種炭/炭?碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽及其制備方法與應(yīng)用，屬于鋰電池電極制備技術(shù)領(lǐng)域。其制備方法包括：含硅炭纖維復(fù)合預(yù)制件經(jīng)化學(xué)氣相共沉積增密工藝、化學(xué)氣相共沉積涂層工藝制得炭/炭?碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽；所述含硅炭纖維復(fù)合匣缽預(yù)制件由炭纖維預(yù)制件噴淋或浸漬含硅前驅(qū)體的樹脂和/或含硅有機粘結(jié)劑制得。本發(fā)明制得的炭/炭?碳化硅梯度復(fù)合材料匣缽，由內(nèi)而外、徑向形成梯度，降低了表面炭含量以及高溫下匣缽表面與氧的反應(yīng)速度，從根本上解決目前鋰電用匣缽的強度和易氧化問題，有效提高匣缽的使用壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：陳海偉,譚躍紅
受保護的技術(shù)使用者：韶山百順科博新材料有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19