CN103427073B - 一种作为锂电池负极材料的介孔Si/C复合微球的制备方法 - Google Patents

一种作为锂电池负极材料的介孔Si/C复合微球的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种作为锂电池负极材料的介孔Si/C复合微球的制备方法。在乙醇和水体系中,以氨水作为催化剂,间苯二酚和甲醛作为碳源,正硅酸乙酯为硅源,添加十六烷基三甲基溴化铵,在20~35℃反应24h得到含有SiO2的聚合物。该含有SiO2的聚合物于100℃水热处理24h,干燥后,在氮气气氛中以0.5~10℃·min-1的升温速率从室温升到750~1000℃炭化,得到SiO2/C复合微球。将SiO2/C复合微球与金属镁混合均匀后,在氩气保护中于600~700℃还原5~10h,制得介孔Si/C复合微球。本发明方法具有制备工艺简单,将制得的介孔Si/C复合微球作为锂离子电池负极材料,经测试分析表明,具有较高的容量和较好的循环使用寿命,循环稳定性能好等优点。

Description

一种作为锂电池负极材料的介孔Si/C复合微球的制备方法
技术领域
本发明涉及一种作为锂电池负极材料的介孔Si/C复合微球的制备方法,属于材料制备技术领域。
背景技术
锂离子电池(简称锂电池)是近年来发展起来的一种新型电池,由于其具有能量密度高、自放电小、循环寿命长、无污染和无记忆效应等优点,已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等电气设备上。此外,在电动汽车、卫星、航天航空以及国防等领域,锂电池也显示出了重要的应用前景。负极材料在锂电池工作过程中的作用是进行嵌锂和脱锂,而锂电池性能的改善主要取决于嵌锂和脱锂的负极材料的性能,因此高容量锂电池负极材料的研究与应用已成为提高电池性能的关键。IVA族元素具有较高的理论容量,如Si的理论容量高达4200mA·h·g-1。然而,IVA族元素负极材料在脱锂和嵌锂过程中容易发生严重的体积膨胀和机械粉化,导致其在使用过程中从电极表面脱落,造成容量严重衰减和循环性能明显降低。
碳材料由于具有良好的导电性能以及柔韧性,能够缓冲Si在脱锂和嵌锂过程中的体积伸缩和膨胀。因此Si/C复合物的制备及应用受到广泛关注。例如“含碳材料和包含该材料的锂二次电池”(中国发明专利,申请号:02105845.8)、“锂离子电池负极材料”(中国发明专利,申请号:200610013834.1)和“锂离子电池制备方法及锂离子电池”(中国发明专利,申请号:201010583449.7)等报道了的Si/C复合物锂离子电池负极材料的制备。这些制备方法是将硅粉和石墨或其他聚合物按一定量比例混合高能研磨,然后再高温热解;或是在Si纳米粒子表面经CVD沉淀包覆碳层,所得的Si/C复合物锂离子电池负极材料虽然具有较高的容量,但是用这些方法制备的材料缺乏孔洞,难以有效解决Si在多次脱锂和嵌锂过程中体积膨胀。介孔碳微球拥有高的比表面积和丰富的介孔结构,能够提供足够的空间以有效避免Si在脱锂和嵌锂及不断充、放电过程中的体积膨胀、收缩和机械粉化。因此若能将多孔碳材料良好的循环稳定性和Si的高容量结合起来,就能使制备得到的介孔Si/C复合微球负极材料容量高、循环稳定性好,具有重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于公开一种作为锂电池负极材料的介孔Si/C复合微球的制备方法。用该方法得到的介孔Si/C复合微球负极材料与现有的Si/C复合物锂离子电池负极材料相比,本发明的锂电池负极材料容量高、循环稳定性好。
为了达到上述目的,本发明将Si纳米粒子引入到介孔碳微球中制备介孔Si/C复合微球。由于介孔碳微球能够提供丰富的介孔结构,使得孔道中的Si纳米粒子能够有效缓冲Si在脱嵌锂过程中的体积膨胀和机械收缩,防止电极活性材料在循环充放电过程中从集流体上脱落,因此赋予所得的锂离子电池负极材料高容量和良好的循环性能。
具体制备工艺是按如下步骤进行的:
第一步,先量取间苯二酚:水:乙醇:氨水=1:120~150:30~50:1~2质量比,混合均匀;然后加入正硅酸乙酯,反应30~60min;再加入十六烷基三甲基溴化铵,搅拌30min;最后加入甲醛溶液,并在20~35℃继续反应24h,得到含有SiO2的聚合物;
上述正硅酸乙酯的加入量是间苯二酚质量的2~5倍;
上述十六烷基三甲基溴化铵的加入量是正硅酸乙酯物质的量的1/3~1/2倍;
上述甲醛溶液为质量分数为37%的甲醛溶液,甲醛溶液的加入量是间苯二酚质量的2~5倍;
上述氨水为质量分数为30%的氨水;
第二步,将第一步得到的含有SiO2的聚合物于100℃水热处理24h,干燥后置于管式炉中,在氮气气氛中以0.5~10℃·min-1的升温速率从室温升到750~1000℃炭化,得到SiO2/C复合微球;
第三步,将SiO2/C复合微球和金属镁混合,金属镁的加入量是第一步得到含有SiO2聚合物中SiO2物质的量的2.5倍,在通氩气的管式炉中于600~700℃还原反应5~10h,使SiO2充分还原为Si,温度降至室温后依次用1mol·L-1HCl溶液和去离子水洗涤除去氧化镁,然后60~100℃干燥2~8h得到介孔Si/C复合微球;
以上原料均为市售工业级产品。
测试分析表明,所得介孔Si/C复合微球大小均匀,分散性好,直径约为500nm,比表面积400m2·g-1以上,平均孔径为3.2nm。其作为锂离子电池负极材料时,在50mA·g-1电流密度下,首次充电容量达921~1897mA·h·g-1,循环充放电30次后的容量保持率在50~81%之间。
本发明具有如下优点:
1.本发明制备的介孔Si/C复合微球,能够有效避免孔道中的Si纳米粒子在脱嵌锂过程中的体积膨胀和收缩,防止电极活性材料在循环充放电过程中从集流体上脱落,因此赋予所得的锂离子电池负极材料高容量和良好的循环性能。
2.本发明在制备介孔Si/C复合微球过程中,通过添加十六烷基三甲基溴化铵,能够有效避免SiO2纳米粒子之间的团聚,使得SiO2纳米粒子在微球中均匀分布,最终制得Si纳米粒子分散均匀的Si/C复合微球;而且,由于十六烷基三甲基溴化铵能够在SiO2与碳源表面形成胶束层,该胶束层经炭化去除后产生空隙,使还原后的Si纳米粒子有足够的空间进行多次循环脱嵌锂,从而提高锂离子负极材料的性能。
3.本发明制备的介孔Si/C复合微球大小均匀,分散性好,直径约为500nm,比表面积400m2·g-1以上,平均孔径为3.2nm。其作为锂离子电池负极材料,经测试分析表明,在50mA·g-1电流密度下,首次充电容量达921~1897mA·h·g-1,循环充放电30次后的容量保持率在50~81%之间,具有较高的容量和较好的循环使用寿命。
具体实施方式
实施例1
间苯二酚、水、乙醇和氨水按1:120:30:1的质量比量取,混合均匀,氨水为质量分数为30%的氨水;然后加入正硅酸乙酯,正硅酸乙酯的加入量为间苯二酚质量的2倍,反应30min;再加入十六烷基三甲基溴化铵,十六烷基三甲基溴化铵的加入量为正硅酸乙酯的物质的量的1/2倍,搅拌30min;最后加入甲醛溶液,甲醛溶液为质量分数为37%的甲醛溶液,甲醛溶液的加入量为间苯二酚质量的2倍,在20℃继续反应24h,得到含有SiO2的聚合物。
将上述含有SiO2的聚合物于100℃水热处理24h,干燥后置于管式炉中,在氮气气氛中以0.5℃min-1的升温速率从室温升到750℃炭化,得到SiO2/C复合微球。
将SiO2/C复合微球和金属镁混合,金属镁的加入量是SiO2/C复合微球中SiO2的物质的量的2.5倍,在通氩气的管式炉中于600℃还原反应10h,使SiO2充分还原为Si。温度降至室温后依次用1mol·L-1HCl溶液和去离子水洗涤除去氧化镁,然后60℃干燥8h得到介孔Si/C复合微球。
实施例2
间苯二酚、水、乙醇和氨水按1:130:40:1.4的质量比量取,混合均匀,氨水为质量分数为30%的氨水;然后加入正硅酸乙酯,正硅酸乙酯的加入量为间苯二酚质量的3倍,反应40min;再加入十六烷基三甲基溴化铵,十六烷基三甲基溴化铵的加入量为正硅酸乙酯的物质的量的1/2.4倍,搅拌30min;最后加入甲醛溶液,甲醛溶液为质量分数为37%的甲醛溶液,甲醛溶液的加入量为间苯二酚质量的2.4倍,在25℃继续反应24h,得到含有SiO2的聚合物。
将上述含有SiO2的聚合物于100℃水热处理24h,干燥后置于管式炉中,在氮气气氛中以3℃min-1的升温速率从室温升到850℃炭化,得到SiO2/C复合微球。
将SiO2/C复合微球和金属镁混合,金属镁的加入量是SiO2/C复合微球中SiO2的物质的量的2.5倍,在通氩气的管式炉中于650℃还原反应8h,使SiO2充分还原为Si。温度降至室温后依次用1mol·L-1HCl溶液和去离子水洗涤除去氧化镁,然后80℃干燥6h得到介孔Si/C复合微球。
实施例3
间苯二酚、水、乙醇和氨水按1:140:45:1.6的质量比量取,混合均匀,氨水为质量分数为30%的氨水;加入正硅酸乙酯,正硅酸乙酯的加入量为间苯二酚质量的4倍,反应50min;再加入十六烷基三甲基溴化铵,十六烷基三甲基溴化铵的加入量为正硅酸乙酯的物质的量的1/2.6倍,搅拌30min;最后加入甲醛溶液,甲醛溶液为37%的甲醛溶液,甲醛溶液的加入量为间苯二酚质量的2.6倍,在30℃继续反应24h,得到含有SiO2的聚合物。
将上述含有SiO2的聚合物于100℃水热处理24h,干燥后置于管式炉中,在氮气气氛中以5℃min-1的升温速率从室温升到900℃炭化,得到SiO2/C复合微球。
将SiO2/C复合微球和金属镁混合,金属镁的加入量是SiO2/C复合微球中SiO2的物质的量的2.5倍,在通氩气的管式炉中于680℃还原反应6h,使SiO2充分还原为Si。温度降至室温后依次用1mol·L-1HCl溶液和去离子水洗涤除去氧化镁,然后90℃干燥4h得到介孔Si/C复合微球。
实施例4
间苯二酚、水、乙醇和氨水按1:150:50:2的质量比量取,混合均匀,氨水为质量分数为30%的氨水;加入正硅酸乙酯,反应60min,正硅酸乙酯的加入量为间苯二酚质量的5倍,然后加入十六烷基三甲基溴化铵,搅拌30min,十六烷基三甲基溴化铵的加入量为正硅酸乙酯的物质的量的1/3倍;最后加入甲醛溶液,甲醛溶液为37%的甲醛溶液,甲醛溶液的加入量为间苯二酚质量的3倍,在35℃继续反应24h,得到含有SiO2的聚合物。
将上述含有SiO2的聚合物于100℃水热处理24h,干燥后置于管式炉中,在氮气气氛中以10℃min-1的升温速率从室温升到1000℃炭化,得到SiO2/C复合微球。
将SiO2/C复合微球和金属镁混合,金属镁的加入量是SiO2/C复合微球中SiO2的物质的量的2.5倍,在通氩气的管式炉中于700℃还原反应5h,使SiO2充分还原为Si。温度降至室温后依次用1mol·L-1HCl溶液和去离子水洗涤除去氧化镁,然后100℃干燥2h得到介孔Si/C复合微球。
实施例1-4得到的介孔Si/C复合微球大小均匀,分散性好,直径约为500nm,比表面积400m2·g-1以上,平均孔径为3.2nm。将实施例1-4得到的介孔Si/C复合微球与乙炔黑和聚偏二氟乙烯按质量比8:1:1量取,研磨混合均匀后溶解在氮甲基吡咯烷酮溶液中,搅拌6h形成浆状物。将该浆状物均匀涂布在铜箔上,并在120℃真空干燥12h得到介孔Si/C复合微球锂离子电池负极材料。以介孔Si/C复合微球为负极,金属锂片为对电极组装成扣式电极。用蓝电测试***(LANDCT2001A)在1MLiPF6电解液中,于25℃在电位窗口0.01~1.5V测试介孔Si/C复合微球负极材料的容量和循环充放电性能。测试结果表明,介孔Si/C复合微球作为锂离子电池负极材料,在50mA·g-1电流密度下,首次充电容量在921~1897mA·h·g-1,循环充放电30次后的容量保持率在50~81%。表现出较高的容量和较好的循环使用寿命。
以上原料均为市售工业级产品。
上述水热处理是指:将含有SiO2的聚合物装入100mL内衬聚四氟乙烯的不锈钢水热釜中进行反应。

Claims (1)

1.一种作为锂电池负极材料的介孔Si/C复合微球的制备方法,其特征在于:
第一步,先量取间苯二酚:水:乙醇:氨水=1:120~150:30~50:1~2质量比,混合均匀;然后加入正硅酸乙酯,反应30~60min;再加入十六烷基三甲基溴化铵,搅拌30min;最后加入甲醛溶液,并在20~35℃继续反应24h,得到含有SiO2的聚合物;
上述正硅酸乙酯的加入量是间苯二酚质量的2~5倍;
上述十六烷基三甲基溴化铵的加入量是正硅酸乙酯物质的量的1/3~1/2倍;
上述甲醛溶液为质量分数为37%的甲醛溶液,甲醛溶液的加入量是间苯二酚质量的2~5倍;
上述氨水为质量分数为30%的氨水;
第二步,将第一步得到的含有SiO2的聚合物于100℃水热处理24h,干燥后置于管式炉中,在氮气气氛中以0.5~10℃·min-1的升温速率从室温升到750~1000℃炭化,得到SiO2/C复合微球;
第三步,将SiO2/C复合微球和金属镁混合,金属镁的加入量是第一步得到含有SiO2聚合物中SiO2物质的量的2.5倍,在通氩气的管式炉中于600~700℃还原反应5~10h,使SiO2充分还原为Si,温度降至室温后依次用1mol·L-1HCl溶液和去离子水洗涤除去氧化镁,然后60~100℃干燥2~8h得到介孔Si/C复合微球;
以上原料均为市售工业级产品。
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