一种硅碳复合材料及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201710201993.2 | 申请日 | 2017-03-30 | 公开(公告)号 | CN106920938A | 公开(公告)日 | 2017-07-04 |
| 申请人 | 天津中科先进技术研究院有限公司; | 发明人 | 王聪; 吴正斌; 沈文旗; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于 硅 碳 复合材料 技术领域，具体涉及一种硅碳复合材料及制备方法，硅碳复合材料包括多孔硅与多孔碳，该多孔硅、多孔碳的 质量 份数比为4:1‑1:4，该硅碳复合材料的粒径为3‑5nm。是由所述多孔硅与多孔碳按质量比混合后，在惰性气体保护下通过 球磨机 球磨而成混合料后，在碳化炉中 烧结 后 研磨 形成。本发明制备的 锂离子 电池 用碳硅复合 负极材料 ，采用了特定工艺制备的多孔碳和多孔硅作为原料进行烧结而成，使得碳硅均匀的分布且结合更为紧密，因此该复合材料在用于 锂离子电池 时，具有较高的 导电性 能和良好的循环 稳定性 ，使得锂离子电池具有高的 比容量 以及较长的使用寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种硅碳复合材料，其特征在于，包括多孔硅与多孔碳，该多孔硅、多孔碳的质量份数比为4:1-1:4，该硅碳复合材料的粒径为3-5nm。 |
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| 说明书全文 | 一种硅碳复合材料及其制备方法技术领域[0001] 本发明属于硅碳复合材料技术领域，具体涉及一种硅碳复合材料及其制备方法。 背景技术[0002] 锂离子电池作为一种新型的化学电源，因其输出电压高、比能量高、循环寿命长、自放电小、安全、无记忆效应和环境友好已成为当前世界各国在新能源材料领域发展的重点。电极材料是影响电池性能和成本的主要因素，研究和开发电极材料对锂电池的发展有重要意义。 [0003] 目前，商用锂离子电池一般采用中间相碳微球和改性石墨作为负极材料，但存在理论容量较低(石墨为372mAh/g)，易于有机溶剂共嵌入等缺点，不能满足日益发展的高能量便携式移动电源的需求，因此高容量锂离子电池负极材料的研究与应用已成为提高电池性能的关键。 [0004] 在已知的锂离子电池负极材料中，硅具有最高的理论容量4200mAh/g，和较合适的+脱嵌锂电位(0.1-0.5Vvs.Li/Li)，但其在充放电过程中由于体积膨胀易造成结构破坏，容量急剧衰减。为了缓解硅的体积效应，研究人员对硅负极材料进行改性、掺杂、复合等方法，如Si-Ni合金、Cu5Si合金、CrSi2合金、Si-TiN复合材料、SiCN复合材料等，在循环性能上得到了一定的改善但依然不够理想。 [0005] 近年来研究人员对硅基负极材料进行了一系列的改性研究，包括对硅的纳米化、用碳层包覆硅及制备硅合金复合材料等等，但硅负极材料的循环性能并未得到根本改善。 发明内容[0007] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0008] 一种硅碳复合材料，包括多孔硅与多孔碳，该多孔硅、多孔碳的质量份数比为4:1-1:4，该硅碳复合材料的粒径为3-5nm。 [0010] 所述球磨机的转速为800-850r/min转速球磨8-10h，得到所述混合料； [0011] 将所述混合料投入碳化炉，在所述碳化炉中以12-15℃/min升温速率升至1200-1400℃，碳化处理3-4h，冷却至室温经研磨后制得多孔状碳硅复合负极材料。 [0012] 所述球磨机的转速为830r/min转速球磨9h，得到所述混合料； [0013] 将所述混合料投入碳化炉，在所述碳化炉中以13℃/min升温速率升至1300℃，碳化处理3h，冷却至室温经研磨后制得多孔状碳硅复合负极材料。 [0014] 所述多孔硅的制备方法如下： [0015] 将摩尔比为1：3∶3∶2-1：5∶5∶3的纳米硅粉、无水乙醇、去离子水和氨水按混合搅拌得到溶液A；将正硅酸乙酯按摩尔比1:5-1:6分散在无水乙醇中搅拌均匀，得到溶液B，将溶液A与溶液B按体积比1:4-1:6充分混合，恒温下搅拌16-18小时，生成内含纳米硅的二氧化硅微球溶胶，将二氧化硅微球溶胶在含有十六烷基三甲基溴化铵的有机模板的乙二醇溶液中热解，制备多孔的二氧化硅，将得到多孔二氧化硅过滤、离心、清洗，干燥，然后在空气中800-900℃的温度下进行2小时热处理，得到多孔二氧化硅； [0016] 将多孔二氧化硅与纳米铝粉按质量比1:4-4:1混合700-750r/min转速球磨混合8-9h，将球磨后的混合材料浸没到浓度为1-3.5mol/L盐酸中，盐酸相对完全将铝反应掉的用量多加入10-15％，在反应釜中搅拌5-6h，过滤后用去离子水清洗至pH大于等于6，于140- 150℃下烘干，制得多孔状硅。 [0017] 所述多孔碳的制备方法如下： [0018] 按1∶3-1∶5的重量比将酚醛树脂和乙二醇混合搅拌均匀，随后加入酚醛树脂和乙二醇总重量10-12％的苯磺酰氯混合均匀制成混合物，将混和物浇注到模具中，在70-80℃下保温1-1.5h，将初固化后的试样脱模，对试样进行深度固化处理，在初始温度60-80℃时保温10-12h，然后温度每增加20℃保温3-4h，直至温度升至200-250℃再保温4～9h，在N2保护下进行碳化，升至700℃，保温2h，升温速率3-5℃/min，完成碳化后随炉冷却至室温，停止供N2，得到多孔碳。 [0019] 本发明制备的锂离子电池用碳硅复合负极材料，采用了特定工艺制备的多孔碳和多孔硅作为原料进行烧结而成，使得碳硅均匀的分布且结合更为紧密，因此该复合材料在用于锂离子电池时，具有较高的导电性能和良好的循环稳定性，使得锂离子电池具有高的比容量以及较长的使用寿命。 具体实施方式[0020] 下面，结合实例对本发明的实质性特点和优势作进一步的说明，但本发明并不局限于所列的实施例。 [0021] 实施例一 [0022] 制备多孔硅 [0023] 将摩尔比为1：5∶5∶3纳米硅粉、无水乙醇、去离子水和氨水按混合搅拌得到溶液A；将正硅酸乙酯按摩尔比1:6分散在无水乙醇中，搅拌均匀，得到溶液B，将溶液A与溶液B按体积比1:6充分混合，恒温下搅拌18小时，生成内含纳米硅的二氧化硅微球溶胶，将二氧化硅微球溶胶在含有十六烷基三甲基溴化铵的有机模板的乙二醇溶液中热解，制备多孔的二氧化硅，将得到的含有模板的多孔二氧化硅过滤、离心、清洗，干燥，然后在空气中900℃的温度下进行7小时的热处理去掉模板，得到多孔二氧化硅；将多孔二氧化硅与纳米铝粉按质量比1:4混合750r/min转速球磨混合8h，将球磨后的混合材料浸没到浓度为2.5mol/L盐酸中，盐酸相对完全将铝反应掉的用量多加入15％，在反应釜中搅拌6h，过滤后用去离子水清洗至pH大于等于6，于150℃下烘干，制得多孔状硅材料。 [0024] 制备多孔碳 [0025] 首先按1∶3的重量比将酚醛树脂和乙二醇混合搅拌均匀，随后加入酚醛树脂和乙二醇总重量12％的苯磺酰氯混合均匀制成混合物，将混和物浇注到模具中，在70℃下保温1h，将初固化后的试样脱模，对试样进行深度固化处理，在初始温度60℃时保温10h，然后温度每增加20℃保温3h，直至温度升至250℃再保温4h，在N2保护下进行碳化，由室温升至700℃，保温1h，升温速率为3℃/min，完成碳化后随炉冷却至室温，最终停止供N2，得到多孔碳材料。 [0026] 烧结制备多孔碳/硅复合材料 [0027] 将上述多孔硅与多孔碳按照质量比4:1的比例混合，在惰性气体的保护下在球磨罐中以800r/min转速球磨10h，得到混合料，将混合料放入有惰性气体保护的碳化炉中，以15℃/min升温速率升至1400℃，碳化处理3h，冷却至室温经研磨后制得多孔状碳硅复合负极材料。 [0028] 实施例二 [0029] 制备多孔硅 [0030] 将摩尔比为1：3∶3∶2纳米硅粉、无水乙醇、去离子水和氨水按混合搅拌得到溶液A；将正硅酸乙酯按摩尔比1:5分散在无水乙醇中，搅拌均匀，得到溶液B，将溶液A与溶液B按体积比1:5充分混合，恒温下搅拌17小时，生成内含纳米硅的二氧化硅微球溶胶，将二氧化硅微球溶胶在含有十六烷基三甲基溴化铵的有机模板的乙二醇溶液中热解，制备多孔的二氧化硅，将得到的含有模板的多孔二氧化硅过滤、离心、清洗，干燥，然后在空气中850℃的温度下进行2小时的热处理去掉模板，得到多孔二氧化硅；将多孔二氧化硅与纳米铝粉按质量比4:1混合400r/min转速球磨混合5h，将球磨后的混合材料浸没到浓度为3.5mol/L盐酸中，盐酸相对完全将铝反应掉的用量多加入10％，在反应釜中搅拌5h，过滤后用去离子水清洗至pH大于等于6，于150℃下烘干，制得多孔状硅材料。 [0031] 制备多孔碳 [0032] 首先按1∶5的重量比将酚醛树脂和乙二醇混合搅拌均匀，随后加入酚醛树脂和乙二醇总重量10％的苯磺酰氯混合均匀制成混合物，将混和物浇注到模具中，在70℃下保温1h，将初固化后的试样脱模，对试样进行深度固化处理，在初始温度70℃时保温10h，然后温度每增加20℃保温3h，直至温度升至230℃再保温5h，在N2保护下进行碳化，由室温升至700℃，保温1h，升温速率为4℃/min，完成碳化后随炉冷却至室温，最终停止供N2，得到多孔碳材料。 [0033] 烧结制备多孔碳/硅复合材料 [0034] 将上述多孔硅与多孔碳按照质量比1:4的比例混合，在惰性气体的保护下在球磨罐中以800r/min转速球磨8h，得到混合料，将混合料放入有惰性气体保护的碳化炉中，以15℃/min升温速率升至1200℃，碳化处理4h，冷却至室温经研磨后制得多孔状碳硅复合负极材料。 [0035] 比较例 [0036] 将1g镁粉和1g二氧化硅粉末在研钵中充分研磨使其混合均匀；将0.94g多孔碳加入到上步骤混合粉末中，充分研磨使三种粉末混合均匀；将以上三种混合粉末移至管式炉中，通入氩气，加热，加热温度为650℃，加热速率为5℃/min，反应时间为6h；反应完成后，待管式炉温度冷却至室温，取出产物加入到浓度为0.5mol/L的盐酸中，浸泡6h，再用去离子水洗涤、抽滤反复5次后滤液pH呈中性；将得到的产物加入到质量分数为20％的氢氟酸溶液中，浸泡时间为2h，用去离子水洗涤、抽滤反复6次后滤液pH呈中性，将抽滤产物真空120℃烘12h。 [0037] 将上述实施例一、二以及比较例所得产物与硅-多孔碳负极材料与导电剂、粘结剂混合制成电极片作为工作电极，金属锂为对电极，1mol/L的LiF6/EC-DMC(体积比1∶1)为电解液，在氩气气氛手套箱中装配成模拟电池。对模拟电池进行充放电测试，电压为0.01～2V(vs.Li+/Li)，电流密度为100mA/g。 [0038] 在测试温度为25℃下进行电性能测试，经测试该实施例一和二的的材料与比较例的产物相比，比容量提高40-50％，使用寿命提高1.6倍以上。 [0039] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 |
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