CN103545488A - 基于葡萄糖银镜反应原理制备Si/Ag/C复合负极材料 - Google Patents

基于葡萄糖银镜反应原理制备Si/Ag/C复合负极材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于葡萄糖银镜反应原理制备Si/Ag/C复合负极材料的方法，其特征在于具体的制备步骤如下：a）将浓度为2~5%硝酸银溶液滴入到浓度为10~32%氨水溶液中，形成浓度为2~11%的银氨溶液；b）将硅粉加入到银氨溶液中，并将溶液的PH值调节为8~9.5；c）将葡萄糖溶液缓慢滴入步骤b）溶液中，并在80~100oC温度下进行磁力搅拌，直至形成前躯体；d）将前躯体放入通有氩气或者氮气的管式炉中进行烧结。通过控制烧结温度和烧结气氛裂解葡萄糖，使其碳化为高结晶碳，作为硅粉充放电过程中的缓冲骨架，提高负极材料的安全性和倍率性能。

Description

基于葡萄糖银镜反应原理制备Si/Ag/C复合负极材料
技术领域
本发明涉及一种基于葡萄糖银镜反应原理制备Si/Ag/C复合负极材料，具体说涉及一种锂离子电池用具有硅系负极材料的制备方法，属于新能源材料技术领域。
背景技术
锂离子电池，一种依赖于锂离子在正负极材料之间反复移动而实现能量存储和转换的装置，自商业化以来，已在便携式电子设备等许多领域得到广泛应用。电池材料是决定电池性能的重要组成，特别是正负极材料，他们影响着锂离子电池的能量、功率、安全与成本等因素。正极材料是锂离子电池中最关键也是成本最高的部分，市场上锂离子二次电池正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂和三元材料。
锂离子电池负极材料通常可以分为几大类，包括碳系材料、钛酸锂、合金类材料。碳系材料主要有人造石墨、天然石墨、中间项碳微球、软碳和硬碳等，这些材料的优点是价格低廉、循环稳定性较好，但缺点是容量偏低、安全性能较差；钛酸锂材料是最近几年新发展起来的一种材料，主要优点是循环稳定性非常出色，而且大电流充放电能力较强，但它致命的缺点是放电电压平台较高，用其作为负极的锂离子电池通常能量密度很难提升，严重制约了该材料的应用；合金类材料是一类具有非常高比容量的负极材料，基本可以归结为两种，一种是硅基材料、另外一种是锡基材料，该类合金材料非常有望成为下一代锂离子动力电池的首选。
纯硅单质的理论容量为4200mAh/g，是碳系材料容量的十余倍，且放电平台与碳系材料相当，因此是一类非常有应用前景的材料。但是，硅在充放电过程中会发生巨大的体积变化，体积膨胀率300%，导致硅粉发生粉化，进而影响到其安全性问题。另外，纯硅单质的电子导电率也并不高，很难满足动力电池大电流充放电的能力。上述两个问题也严重制约了硅材料的发展。目前，针对硅粉充放电过程中体积膨胀导致循环衰减的解决办法主要是采用制备硅碳复合材料的方法，通过碳材料的膨松结构缓冲硅材料的体积膨胀，提高负极安全性。
硅碳复合材料通常是将有机高分子和硅粉混合后在惰性气氛下进行烧结而制备所得，但是有机高分子裂解的碳的形式多为无定形碳，电导率较低，不利于提高电池的倍率性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于葡萄糖银镜反应原理制备Si/Ag/C复合负极材料，其根据葡萄糖银镜反应原理制备出具有高电子导电率的Si/Ag/C复合材料，通过葡萄糖结构中的醛基进行银镜反应，制备出微量的单质银，降低Si粉颗粒之间的接触电阻，进而提高复合材料的电子导电率。另外，通过控制烧结温度和烧结气氛裂解葡萄糖，使其碳化为高结晶碳，作为硅粉充放电过程中的缓冲骨架，提高负极材料的安全性和倍率性能；具有优异的电化学性能，且该方法高效、简单，适合于材料大批量生产。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于葡萄糖银镜反应原理制备Si/Ag/C复合负极材料，其特征在于具体步骤如下：
a）将浓度为2~5%硝酸银溶液滴入到浓度为10~32%氨水溶液中，形成浓度为2~11%的银氨溶液；
b）将尺寸为20~320nm的硅粉按照硅粉与银氨溶液中银的摩尔比n Si：n Ag=（50~80）:1的比例加入到银氨溶液中，并将溶液的PH值调节为8~9.5；
c）将浓度是25~45%的葡萄糖溶液缓慢滴入步骤b）溶液中，葡萄糖与步骤a）中硝酸银溶液中银的摩尔比为n 葡萄糖：n Ag=（1~1.5）:1，并在80~100oC温度下进行磁力搅拌，直至形成前躯体；
d）将前躯体放入通有氩气或者氮气的管式炉中进行烧结，控制升温速率为10~20oC/min、烧结温度为550~725oC、烧结时间为3~10小时，最后采用随炉冷却的方式进行降温，即可得到Si/Ag/C复合负极材料。
本发明的积极效果在于：
1）利用葡萄糖的银镜反应原理，制备出Si/Ag/C复合负极材料，该材料电导率较高，银以金属形式存在，且分布均匀。
2）葡萄糖在反应过程中既起到碳源的作用，同时也是银镜反应的重要原料。
3）采用本方法合成的Si/Ag/C复合负极材料倍率性能好、循环性能优异。
附图说明
图1是本发明实例1中Si/Ag/C复合负极材料的SEM图片。
图2是本发明实例2中复合材料的第二次充放电曲线。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述：一种基于葡萄糖银镜反应原理制备Si/Ag/C复合负极材料，其特征在于具体步骤如下：
a）将浓度为2~5%硝酸银溶液滴入到浓度为10~32%氨水溶液中，形成浓度为2~11%的银氨溶液；
b）将尺寸为20~320nm的硅粉按照硅粉与银氨溶液中银的摩尔比n Si：n Ag=（50~80）:1的比例加入到银氨溶液中，并将溶液的PH值调节为8~9.5；
c）将浓度是25~45%的葡萄糖溶液缓慢滴入步骤b）溶液中，葡萄糖与步骤a）中硝酸银溶液中银的摩尔比为n 葡萄糖：n Ag=（1~1.5）:1，并在80~100oC温度下进行磁力搅拌，直至形成前躯体；
d）将前躯体放入通有氩气或者氮气的管式炉中进行烧结，控制升温速率为10~20oC/min、烧结温度为550~725oC、烧结时间为3~10小时，最后采用随炉冷却的方式进行降温，即可得到Si/Ag/C复合负极材料。
实施例1
如图1所示，将浓度为5%硝酸银溶液滴入到浓度为20%氨水溶液中，形成浓度为2%的银氨溶液；将尺寸为20nm的硅粉按照摩尔比n Si：n Ag=50：1的比例加入到银氨溶液中，调节溶液的PH值为8；再将浓度是25%的葡萄糖溶液以n 葡萄糖：n Ag=1：1的比例缓慢滴入上述溶液中，在100oC下进行磁力搅拌，直到形成前躯体；前躯体放入通有氩气的管式炉中进行烧结，控制升温速率为10oC/min、烧结温度为725oC、烧结时间为3小时；最后采用随炉冷却的方式进行降温，即可得到Si/Ag/C复合负极材料。
实施例2
如图2所示，将浓度为2%硝酸银溶液滴入到浓度为32%氨水溶液中，形成浓度为5%的银氨溶液；将尺寸为320nm的硅粉按照摩尔比n Si：n Ag=62：1的比例加入到银氨溶液中，调节溶液的PH值为9.5；再将浓度是38%的葡萄糖溶液以n 葡萄糖：n Ag=1.5：1的比例缓慢滴入上述溶液中，在95oC下进行磁力搅拌，直到形成前躯体；前躯体放入通有氩气的管式炉中进行烧结，控制升温速率为20oC/min、烧结温度为550oC、烧结时间为10小时；最后采用随炉冷却的方式进行降温，即可得到Si/Ag/C复合负极材料。
实施例3
将浓度为4%硝酸银溶液滴入到浓度为10%氨水溶液中，形成浓度为11%的银氨溶液；将尺寸为100nm的硅粉按照摩尔比n Si：n Ag=80：1的比例加入到银氨溶液中，调节溶液的PH值为9；再将浓度是45%的葡萄糖溶液以n 葡萄糖：n Ag=1.2：1的比例缓慢滴入上述溶液中，在80oC下进行磁力搅拌，直到形成前躯体；前躯体放入通有氩气的管式炉中进行烧结，控制升温速率为15oC/min、烧结温度为600oC、烧结时间为8小时；最后采用随炉冷却的方式进行降温，即可得到Si/Ag/C复合负极材料。

Claims (1)

1.一种基于葡萄糖银镜反应原理制备Si/Ag/C复合负极材料的方法，其特征在于具体的制备步骤如下：
a）将浓度为2~5%硝酸银溶液滴入到浓度为10~32%氨水溶液中，形成浓度为2~11%的银氨溶液；
b）将尺寸为20~320nm的硅粉按照硅粉与银氨溶液中银的摩尔比n Si：n Ag=（50~80）:1的比例加入到银氨溶液中，并将溶液的PH值调节为8~9.5；
c）将浓度是25~45%的葡萄糖溶液缓慢滴入步骤b）溶液中，葡萄糖与步骤a）中硝酸银溶液中银的摩尔比为n 葡萄糖：n Ag=（1~1.5）:1，并在80~100oC温度下进行磁力搅拌，直至形成前躯体；
d）将前躯体放入通有氩气或者氮气的管式炉中进行烧结，控制升温速率为10~20oC/min、烧结温度为550~725oC、烧结时间为3~10小时，最后采用随炉冷却的方式进行降温，即可得到Si/Ag/C复合负极材料。
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