CN106374088A - 一种利用镁热还原法制备硅碳复合材料的方法 - Google Patents

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李文
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Abstract

本发明公开了一种利用镁热还原法制备硅碳复合材料的方法，属于复合材料制备技术领域。所述方法包括：(1)将二氧化硅源、有机碳源和溶剂混合，球磨制得匀浆状混合物，经烘干得到二氧化硅‑碳前驱体复合材料；(2)将二氧化硅‑碳前驱体复合材料与镁粉混合进行镁热还原反应，收集产物并进行酸洗、水洗，干燥后得到所述硅碳复合材料。本发明采用一步法完成二氧化硅还原和高温碳化，工艺方法简单、成本低廉、可大规模生产；制备的复合材料有效保持多孔硅的形貌，使其具有较佳的承受体积应变能力；多孔复合材料应用于锂电池，使得锂离子脱嵌深度小、离子扩散路径短，有效提高了锂电池的可逆容量、库伦效率，延长循环寿命。

Description

一种利用镁热还原法制备硅碳复合材料的方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种利用镁热还原法制备硅碳复合材料的方法。
背景技术
锂离子电池由于具有高的能量密度和良好的循环稳定性而广泛应用于各种便携式电子设备。负极材料作为锂离子电池的主要储锂主体，在充放电过程中它实现锂离子的嵌入和脱出。近年来，由于传统碳材料存在着比容量低、首次充放电效率低、有机溶剂共嵌入等不足，促使人们开始了对其他高比容量的非碳材料的开发。
硅材料在自然界中资源丰富、价格便宜、更为重要的是硅具有很高的理论容量(可达4200mAh/g)，且作为锂离子电池负极时较石墨材料更安全等优点，因而受到了研究人员的广泛的关注，被认为是可以替代石墨作为下一代锂离子电池的负极材料。
但是硅材料充放电过程中会产生严重的体积变化(体积膨胀300％)，不仅使硅材料产生严重的粉化，还会导致SEI膜在硅与电解液相接触的位置连续不断的形成，从而导致硅电极在循环过程中容量的快速衰减。另外，硅的导电性较差，阻碍了硅负极材料倍率性能的提高。文献中报道采用复合化，引入导电性好、且体积效应小的活性/非活性基体，制备多相复合材料，从而缓和硅的体积效应，提高硅基负极的循环性能。
目前，国内外的研究工作主要集中在硅材料的纳米化和制备硅基复合材料两个方面。纳米硅可以有效缩短锂离子扩散路径，缓解体积应力，改善其循环稳定性。如陶华超等(镁热还原法制备多孔硅碳复合负极材料，硅酸盐学报，第41卷第8期，2013年8月)采用两步法制备了多孔Si/C复合材料。首先将多孔二氧化硅通过镁热还原，制备出多孔硅材料，然后将有机碳源注入到多孔硅内部孔中以及包覆其表面，合成出Si、C相互交错的多孔Si/C复合材料。分别以SBA-15、MCM-48和硅藻土为硅源制备得到的三种多孔Si/C复合材料循环30次之后的可逆容量分别为712、664和463mA·h/g。这种良好的循环稳定性能主要归因于复合材料中的多孔结构可以有效缓解硅基材料脱嵌锂过程中的体积应力，碳的加入可以提高硅基材料的电子电导率，表面包覆的碳可以改善硅基材料与电解液的兼容性，从而改善了电极材料的循环稳定性能。
在实际研究过程中发现，由于镁热还原反应后需要对产物经过酸洗、干燥等操作极易改变多孔硅的形貌，进而影响碳包覆后复合材料的优异性能。
发明内容
本发明提供了一种利用镁热还原法制备硅碳复合材料的方法，在镁热还原反应过程中使二氧化硅还原和碳化同时进行，简化反应步骤，最大程度地保持复合材料中多孔硅的形貌，提高硅碳复合材料作为锂电池负极材料的电化学性能。
一种利用镁热还原法制备硅碳复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)将二氧化硅源、有机碳源和溶剂混合，球磨制得匀浆状混合物，经烘干得到二氧化硅-碳前驱体复合材料；
(2)将二氧化硅-碳前驱体复合材料与镁粉混合进行镁热还原反应，收集产物并进行酸洗、水洗，干燥后得到所述硅碳复合材料。
本发明先将碳源包裹二氧化硅源，在加热升温过程中，外面包裹的碳源被碳化，升温至680℃以上，镁蒸气透过碳包覆层还原二氧化硅得到多孔硅。本发明一步完成硅碳复合材料的制备，不仅简化操作步骤，而且多孔硅表面包覆的碳能够有效阻止后续工艺如酸洗、干燥等对多孔硅形貌的影响；另外碳包覆层限制了内部镁蒸气的扩散速率，提高了硅的转化率。
作为优选，所述二氧化硅源为硅藻土、介孔二氧化硅或石英石。
所述有机碳源为有机高分子物质，如聚偏氟乙烯、聚吡咯、三聚氰胺、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚丙乙烯、聚乙二醇、聚乳酸、聚己内酯和聚甲基丙烯酸甲酯中一种或两种以上的混合物。
更为优选，所述有机碳源为聚偏氟乙烯、聚吡咯、聚丙烯腈或聚丙乙烯。此类有机高分子物质粘度高，容易包裹在二氧化硅源表面。
作为优选，所述二氧化硅源与有机碳源混合质量比为0.2:1～9:1。更为优选，所述二氧化硅源与有机碳源的混合质量比为4～6:1。
为了使有机碳源有效包裹住二氧化硅源，可适当添加溶剂使有机碳源溶解。所述溶剂为甲苯、氯苯、二甲苯、环己烷、甲醇、乙醇、乙二醇、异丙醇、***、环氧丙烷、醋酸甲酯、吡啶、四氢呋喃、四氯化碳、N-甲基吡咯烷酮中的任意一种或两种以上的混合。作为优选，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮或吡啶。
作为优选，所述有机碳源与溶剂的混合质量比为1:1～1:5。更为优选，所述有机碳源与溶剂的混合质量比为1:1。
本发明利用高能球磨法进行原料混合，提高原料的混合效果。作为优选，所述球磨的转速为400～1000转/分，球磨时间为2～50小时。更为优选，球料比为4～5:1，转速为700转/分，球磨时间为4～6小时。
步骤(2)中，由于镁易燃烧，二氧化硅-碳前驱体复合材料与镁粉混合及反应需在非氧气体氛围下进行。作为优选，所述的非氧气氛为氮气或氩气。
作为优选，所述二氧化硅-碳前驱体复合材料与镁粉的混合质量比为1～2:1。更为优选，所述二氧化硅-碳前驱体复合材料与镁粉的混合质量比为1:1。
作为优选，所述镁热还原反应的条件：在非氧气氛下，以5～20℃的升温速率下加热到680～700℃，保温4～6h。作为优选，镁热还原温度为700℃。
所述酸洗采用的酸为硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸中的一种或多种，摩尔浓度为0.1～10mol/L。酸洗后用去离子水和乙醇分别洗涤3～5次，在真空烘箱中干燥。
本发明还提供了一种由上述方法制备得到的硅碳复合材料。复合材料中硅的含量为50～90％。
本发明还提供了一种锂离子电池负极材料，由活性物质、导电剂和粘结剂组合，所述活性物质为上述的硅碳复合材料。
实验证明，由本发明提供的锂离子负极材料制备的锂离子电池首次充电比容量在1200mAh/g以上，经100次循环以后，容量保持率为90％，具有可逆容量高、库伦效率高、循环寿命长等优点。
本发明具备的有益效果：
(1)本发明采用一步法完成二氧化硅还原和高温碳化，工艺方法简单、成本低廉、可大规模生产。
(2)利用本发明方法制备的复合材料有效保持多孔硅的形貌，使其具有较佳的承受体积应变能力。
(3)将本发明制备的多孔复合材料应用于锂电池，使得锂离子脱嵌深度小、离子扩散路径短，有效提高了锂电池的可逆容量、库伦效率，延长循环寿命。
附图说明
图1为实施例1制得的复合材料的拉曼光谱图。
图2为实施例1制得的复合材料的充放电测试曲线图。
图3为实施例2与对比例1制得的复合材料充放电测试性能比较图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
1、硅碳复合材料的制备
利用行星式球磨机将硅藻土、聚偏氟乙烯和甲基吡咯烷酮溶剂以质量比4:1:1混合，球料质量比约为5:1，转速为400转/分，球磨时间4小时后得到二氧化硅/聚偏氟乙烯类匀浆状材料。将得到的二氧化硅/聚偏氟乙烯类匀浆材料置于烘箱中烘干。
取出后按照1:1进行复合材料与镁粉的比例进行混合。将混合物置于管式炉中，在氩气环境中以5℃/min的升温速率加热到700℃，保温4小时，自然冷却到室温；用盐酸进行酸洗，再用去离子水和乙醇分别洗涤3次，在真空烘箱中100℃下干燥5小时得到硅碳复合材料。
制得的硅碳复合材料进行拉曼光谱分析，结果如图1所示。
2、硅碳复合材料负极的制备
将制备得到样品按硅碳复合材料(活性物质材料)：导电剂(导电碳黑，super-p)：粘结剂(聚偏氟乙烯，PVDF)＝8:1:1的质量比混合，添加一定量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂，利用磁力搅拌混合均匀。利用涂覆机将浆料均匀涂覆在铜箔上，在真空烘箱中100℃真空干燥10小时，后经过压片，切片，干燥，称量等得到极片，待组装电池。
3、锂离子电池的制备与测试
将干燥的极片放入含高纯氩气的手套箱中组装电池，组装的扣式电池中，正极为硅碳复合材料，负极为锂片，隔膜为聚丙烯膜，电解液为含锂盐为1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)，溶剂为体积比为1:1:1的碳酸乙烯酯(EC)：碳酸二甲酯(DMC)：碳酸甲乙酯(EMC)。利用蓝电测试***恒流对锂离子电池进行充放电测试，电压测试范围为0.01～1.5V。结果如图2所示，锂电池在循环100圈后的容量为1190mAh/g，容量保持率为90％。
实施例2
1、硅碳复合材料的制备
利用行星式球磨机将介孔二氧化硅、聚吡咯和吡啶溶剂球磨均匀以质量比6:1:1混合，球料质量比约为4:1，转速为700转/分，球磨时间6小时后得到二氧化硅/聚吡咯类匀浆状材料。将得到的二氧化硅/聚吡咯类匀浆材料置于烘箱中烘干。
取出后按照1:1进行复合材料与镁粉的比例进行混合材料。将混合物置于管式炉中，在氮气环境中以5℃/min的升温速率加热到700℃，保温5小时，自然冷却到室温；用盐酸进行酸洗，再用去离子水和乙醇分别洗涤3次，在真空烘箱中120℃下干燥3小时得到硅碳复合材料。
2、硅碳复合材料负极的制备
将制备得到样品按硅碳复合材料(活性物质材料)：导电剂(导电碳黑，super-p)：粘结剂(聚偏氟乙烯，PVDF)＝8:1:1的质量比混合，添加一定量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂，利用磁力搅拌混合均匀。利用涂覆机将浆料均匀涂覆在铜箔上，在真空烘箱中100℃真空干燥10小时，后经过压片，切片，干燥，称量等得到极片，待组装电池。
3、锂离子电池的制备与测试
将干燥的极片放入含高纯氩气的手套箱中组装电池，组装的扣式电池中，正极为硅碳复合材料，负极为锂片，隔膜为聚丙烯膜，电解液为含锂盐为1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)，溶剂为体积比为1:1:1的碳酸乙烯酯(EC)：碳酸二甲酯(DMC)：碳酸甲乙酯(EMC)。利用蓝电测试***恒流对锂离子电池进行充放电测试，电压测试范围为0.01～1.5V。结果如图3所示。
对比例1
1、硅碳复合材料的制备
将介孔二氧化硅与镁粉按照1:1进行混合，将混合物置于管式炉中，在氮气环境中以5℃/min的升温速率加热到700℃，保温5小时，自然冷却到室温；用盐酸进行酸洗，再用去离子水和乙醇分别洗涤3次，在真空烘箱中120℃下干燥3小时得到。
利用行星式球磨机将多孔硅材料、聚吡咯和吡啶溶剂球磨均匀以质量比6:1:1混合，球料质量比约为4:1，转速为700转/分，球磨时间6小时后得到匀浆状材料。置于烘箱中烘干，经800℃煅烧2h得到硅碳复合材料。
2、硅碳复合材料负极的制备
将制备得到样品按硅碳复合材料(活性物质材料)：导电剂(导电碳黑，super-p)：粘结剂(聚偏氟乙烯，PVDF)＝8:1:1的质量比混合，添加一定量的N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶剂，利用磁力搅拌混合均匀。利用涂覆机将浆料均匀涂覆在铜箔上，在真空烘箱中100℃真空干燥10小时，后经过压片，切片，干燥，称量等得到极片，待组装电池。
3、锂离子电池的制备与测试
将干燥的极片放入含高纯氩气的手套箱中组装电池，组装的扣式电池中，正极为硅碳复合材料，负极为锂片，隔膜为聚丙烯膜，电解液为含锂盐为1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF6)，溶剂为体积比为1:1:1的碳酸乙烯酯(EC)：碳酸二甲酯(DMC)：碳酸甲乙酯(EMC)。利用蓝电测试***恒流对锂离子电池进行充放电测试，电压测试范围为0.01～1.5V。结果如图3所示。
从图3看出，通过先包覆再镁热还原得到的硅碳材料循环性能要高于先镁热在包覆过程复合材料(循环100圈)。
根据上述说明书的说明，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的修改和变更，因此，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或者类似方式替换，均属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种利用镁热还原法制备硅碳复合材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将二氧化硅源、有机碳源和溶剂混合，球磨制得匀浆状混合物，经烘干得到二氧化硅-碳前驱体复合材料；
(2)将二氧化硅-碳前驱体复合材料与镁粉混合进行镁热还原反应，收集产物并进行酸洗、水洗，干燥后得到所述硅碳复合材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅源为硅藻土、介孔二氧化硅或石英石。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机碳源为聚偏氟乙烯、聚吡咯、聚丙烯腈或聚丙乙烯。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅源与有机碳源混合质量比为0.2:1～9:1。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有机碳源与溶剂的混合质量比为1:1～1:5。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述球磨的转速为400～1000转/分，球磨时间为2～50小时。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅-碳前驱体复合材料与镁粉的混合质量比为1～2:1。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述镁热还原反应的条件：在非氧气氛下，以5～20℃的升温速率下加热到680～700℃，保温2～10h。
9.一种由权利要求1-8任一项所述方法制备的硅碳复合材料。
10.一种锂离子电池负极材料，由活性物质、导电剂和粘结剂组合，其特征在于，所述活性物质为如权利要求9所述的硅碳复合材料。
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