CN107359317A - 以硅溶胶为硅源的有机物碳化复合硅碳负极的制备方法 - Google Patents

以硅溶胶为硅源的有机物碳化复合硅碳负极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种以硅溶胶为硅源的有机物碳化复合硅碳负极的制备方法，其特征在于制备工艺，具体的制备步骤如下：硅溶胶前处理，SiO2插层膨胀石墨制备，富硅石墨制备：使用镁热还原的方法将SiO2插层膨胀石墨中的SiO2还原成单质硅，之后经过酸洗、水洗、烘干后，便得到富硅石墨材料;有机碳源可以选择聚丙烯腈、蔗糖或者葡萄糖，将其溶解于溶剂中，配置成20%~50%的溶液，其中溶剂为二甲基甲酰胺，之后将步骤三中得到的富硅石墨加入其中，将悬浊液在25~80℃下搅拌烘干，然后在惰性气体保护下500~800℃温度下高温煅烧4~8小时，得到生成物经过粉碎后便得到有机物碳化复合硅碳负极材料。不使用硅粉作为原料，降低材料成本，同时采用有机碳源作为主要碳源，进一步降低材料成本，并且在膨胀石墨层间中原位***氧化硅之后还原的方法得到硅源，可以更好的为硅提供缓冲层，提高材料性能。

Description

以硅溶胶为硅源的有机物碳化复合硅碳负极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种以硅溶胶为硅源的有机物碳化复合硅碳负极的制备方法，属于锂离子电池技术领域。
背景技术
当前，锂离子电池作为成熟的储能单元，已经逐渐融入生活的每一个部分。生活中的手机、笔记本等电器都是使用锂离子电池作为其储能单元。近几年锂离子电池逐渐被用在动力储能方面，电动汽车就是锂离子电池重要的应用对象，然而目前的锂离子电池能量密度仍然无法达到纯电动汽车对续航里程的要求。
对于动力电池来说，对其能量密度影响最多的因素应该是正极材料和负极材料。目前正极材料正朝着高容量和高电压两个方向发展，开发与正极材料性能相匹配的负极材料，才能有效地发挥出正极材料的特性。
硅基电池负极材料具有很高的容量性能，纯硅的理论比容量是4200mAh/g，是极具开发潜力的锂离子电池负极材料。目前硅基负极材料面对的主要问题是硅在充放电过程中的体积变化，因此使用碳材料作为缓冲骨架，可以缓冲硅材料的体积膨胀和缩小，硅碳复合负极材料应运而生。目前对硅碳负极材料的研究已经很多，例如专利申请号201210387258.2一种锂离子电池硅碳复合材料的制备方法和201210283761.3一种高容量锂离子电池负极材料的制备方法中均使用硅粉与膨胀石墨混合处理，得到硅碳负极材料，但是该方法受到硅粉尺寸及分散工艺的限制，很难真正实现硅粉***膨胀石墨空隙中的目的，纳米级硅粉提高材料成本，另外201210387258.2专利中所有碳源均选用膨胀石墨，大大增加材料成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种以硅溶胶为硅源的有机物碳化复合硅碳负极的制备方法，该方法采用有机碳作为主要碳源，复合以富硅石墨得到硅碳复合材料。富硅石墨是以硅溶胶作为硅源，通过前期处理，提高其与膨胀石墨层片之间的结合能力和分散能力，直接将SiO2***膨胀石墨片层之间。之后，使用镁热还原的方法将其中的SiO2成硅后，称其为富硅石墨。本专利中的方法不使用硅粉作为原料，降低材料成本，同时采用有机碳源作为主要碳源，进一步降低材料成本，并且在膨胀石墨层间中原位***氧化硅之后还原的方法得到硅源，可以更好的为硅提供缓冲层，提高材料性能。
本发明的技术方案是这样实现的：以硅溶胶为硅源的有机物碳化复合硅碳负极的制备方法，其特征在于制备工艺，具体的制备步骤如下： 步骤一、硅溶胶前处理：取硅溶胶，加入去离子水，去离子水的质量为第二步中膨胀石墨质量的15~30倍，之后在其中加入表面活性剂，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，加入量为硅溶胶中SiO2质量的0.1%~10%，然后将溶液搅拌3~5小时备用;
步骤二、SiO2插层膨胀石墨制备：称取膨胀石墨和硅溶胶前处理溶液，使其中的SiO2质量与膨胀石墨质量比在0.5~1.5之间。将硅溶胶前处理溶液加入到膨胀石墨之中，加以搅拌和超声使其均匀润湿后在25~80℃烘干，再经过粉碎步骤便获得SiO2插层膨胀石墨；
步骤三、富硅石墨制备：使用镁热还原的方法将SiO2插层膨胀石墨中的SiO2还原成单质硅，之后经过酸洗、水洗、烘干后，便得到富硅石墨材料;
步骤四、有机碳复合：有机碳源可以选择聚丙烯腈、蔗糖或者葡萄糖，将其溶解于溶剂中，配置成20%~50%的溶液，其中溶剂为二甲基甲酰胺，之后将步骤三中得到的富硅石墨加入其中，将悬浊液在25~80℃下搅拌烘干，然后在惰性气体保护下500~800℃温度下高温煅烧4~8小时，得到生成物经过粉碎后便得到有机物碳化复合硅碳负极材料。
所述的步骤一中的表面活性剂可由十六烷基三甲基溴化铵替换为聚乙二醇400或六偏磷酸钠。
所述的步骤四中的溶剂可由二甲基甲酰胺替换为水。
本发明的积极效果是该方法的优势在于，使用硅溶胶这种廉价的硅源，降低材料的成本；通过对硅溶胶进行前处理，使其***膨胀石墨层间，更充分的为硅源提供缓冲空间，提高硅碳材料电化学性能；使用有机碳源作为主要碳源，进一步降低材料成本。通过调节富硅材料的加入量达到性能的可控性。
附图说明
图1 是实施例1中硅碳复合材料的扫描电镜照片。
图2 是实施例2中硅碳复合材料的倍率性能测试。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
称取7.5g硅溶胶，硅溶胶SiO2含量为20%，在其中加入0.15g 聚乙二醇400和20g水，搅拌3小时备用。称取1.2g膨胀石墨，将硅溶胶前处理溶液加入其中，充分搅拌润湿后超声处理20min后烘干、粉碎，得到SiO2插层膨胀石墨。取1g SiO2插层膨胀石墨，加入0.68gMg混合均匀后，氩气保护下加热到750℃保温3小时，将其中的SiO2还原，经过酸洗、水洗烘干后，得到富硅石墨。称取6 g聚丙烯腈，溶解于75g氮氮二甲基甲酰胺中，之后加入富硅石墨，充分搅拌以后烘干，将烘干后的材料粉碎以后700℃氩气保护下碳化5小时，经过再次粉碎，便得到硅碳复合材料。图1为该材料的扫描电镜照片 其首次放电比容量为396mAh/g。
实施例2
称取150 g硅溶胶，硅溶胶SiO2含量为20%，在其中加入0.03 g 十六烷基三甲基溴化铵和333 g水，搅拌3小时备用。称取20 g膨胀石墨，将硅溶胶前处理溶液加入其中，充分搅拌润湿后超声处理40min后烘干、粉碎，得到SiO2插层膨胀石墨。取10g SiO2插层膨胀石墨，使用4.8g Mg，在氩气保护下加热到800℃，使镁蒸汽接触到SiO2插层膨胀石墨，并将其还原，反应时间为4小时。经过酸洗、水洗后烘干，得到富硅石墨。将62g蔗糖溶解于100g水中，完全溶解后再加入3g 羧甲基纤维素钠继续溶解，溶解充分以后将富硅石墨加入到溶液中充分搅拌，再经过烘干、粉碎后，在氩气保护气氛下加热到750℃温度碳化4小时，产品经过再次粉碎便得到硅碳复合材料。图2给出该材料在不同倍率下的放电曲线，首次放电比容量为530.7mAh/g，5C放电比容量113 mAh/g。

Claims (3)

1.以硅溶胶为硅源的有机物碳化复合硅碳负极的制备方法，其特征在于制备工艺，具体的制备步骤如下： 步骤一、硅溶胶前处理：取硅溶胶，加入去离子水，去离子水的质量为第二步中膨胀石墨质量的15~30倍，之后在其中加入表面活性剂，表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，加入量为硅溶胶中SiO2质量的0.1%~10%，然后将溶液搅拌3~5小时备用;
步骤二、SiO2插层膨胀石墨制备：称取膨胀石墨和硅溶胶前处理溶液，使其中的SiO2质量与膨胀石墨质量比在0.5~1.5之间；将硅溶胶前处理溶液加入到膨胀石墨之中，加以搅拌和超声使其均匀润湿后在25~80℃烘干，再经过粉碎步骤便获得SiO2插层膨胀石墨；
步骤三、富硅石墨制备：使用镁热还原的方法将SiO2插层膨胀石墨中的SiO2还原成单质硅，之后经过酸洗、水洗、烘干后，便得到富硅石墨材料;
步骤四、有机碳复合：有机碳源可以选择聚丙烯腈、蔗糖或者葡萄糖，将其溶解于溶剂中，配置成20%~50%的溶液，其中溶剂为二甲基甲酰胺，之后将步骤三中得到的富硅石墨加入其中，将悬浊液在25~80℃下搅拌烘干，然后在惰性气体保护下500~800℃温度下高温煅烧4~8小时，得到生成物经过粉碎后便得到有机物碳化复合硅碳负极材料。
2.根据权利要求1中所述的以硅溶胶为硅源的有机物碳化复合硅碳负极的制备方法，其特征在于所述的步骤一中的表面活性剂可由十六烷基三甲基溴化铵替换为聚乙二醇400或六偏磷酸钠。
3.根据权利要求1中所述的以硅溶胶为硅源的有机物碳化复合硅碳负极的制备方法，其特征在于所述的步骤四中的溶剂可由二甲基甲酰胺替换为水。
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