CN107482196B - 一种锂离子电池用复合纳米材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池用复合纳米材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种锂离子电池用复合纳米材料及其制备方法，以多壁碳纳米管为原料，制成二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料，然后进一步碳化硅包覆，所得复合纳米材料可用于锂离子电池负极材料，具有首次库伦效率高、容量高和循环稳定性高等优点。

Description

一种锂离子电池用复合纳米材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电化学技术领域，特别地，涉及一种锂离子电池用复合纳米材料及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有电压高、体积小、质量轻、能量密度大、循环性能好、无记忆效应等优点，锂离子电池被广泛应用于移动电话和笔记本电脑等便携式移动电器，另外，其在电动自行车和电动汽车上也具有广泛的应用前景。
商业化的锂离子电池负极材料一般采用石墨材料(比如石墨微球、天然改性石墨以及人造石墨等)，这些石墨材料具有较好的循环稳定性，但是其容量较低，石墨的理论容量为372mAh/g。新一代锂离子电池对电极材料的容量和循环稳定性提出了更高的要求，不仅要求负极材料具有较高的电化学容量，而且还应当具有良好的循环稳定性。
因此，寻找高容量负极材料成为一种非常重要的研究方向。
发明内容
本发明目的在于提供一种锂离子电池用复合纳米材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种锂离子电池用复合纳米材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将多壁碳纳米管酸化后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液：
(2)向步骤(1)所得酸化多壁碳纳米管的分散液中加入有机碳源，混匀，超声波分散，得到分散液Ⅰ；
(3)将正硅酸乙酯溶于乙醇中，再加入聚乙二醇1000后超声波分散，然后加入尿素溶液，搅拌形成溶胶，备用；
(4)向步骤(2)分散液Ⅰ中依次加入五水合四氯化锡以及步骤(3)所得溶胶，然后加入浓盐酸(38w.t.％)，之后缓慢加入浓氨水调节pH＝7～10，于120～180℃反应2～3天，水洗，过滤，烘干，420～440℃焙烧2～3小时，即得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料；
(5)将碳化硅与步骤(4)所得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得。
作为优选的技术方案之一，步骤(1)的具体方法是：将多壁碳纳米管和浓硝酸搅拌混合均匀，在120～130℃下反应8～10小时，将得到的产物经抽滤、洗涤至中性，真空干燥，即得酸化多壁碳纳米管，然后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液。
作为进一步优选的技术方案之一，浓硝酸的质量浓度为65％，多壁碳纳米管与浓硝酸的质量体积比为1g：100mL，所述酸化多壁碳纳米管的分散液中酸化多壁碳纳米管的质量浓度为1g/L。
作为优选的技术方案之一，步骤(2)中，所述有机碳源为蔗糖与间苯二酚的混合物，两者的质量比为2：1，该混合物的加入量为酸化多壁碳纳米管的分散液重量的1/10。
作为优选的技术方案之一，步骤(3)中正硅酸乙酯、乙醇、聚乙二醇1000与尿素溶液的质量体积比为1g：10～20mL：0.08～0.1g：2～3mL，其中，尿素溶液的浓度为20～30％。
作为优选的技术方案之一，步骤(3)的搅拌时间为4～5小时。
作为优选的技术方案之一，步骤(4)中浓氨水的质量浓度为25％。
作为优选的技术方案之一，步骤(4)中分散液Ⅰ中所含酸化多壁碳纳米管、五水合四氯化锡、溶胶、浓盐酸的质量体积比为1g：50～60mL：40～50g：60～70mL。
作为优选的技术方案之一，步骤(5)中碳化硅与二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料的质量比为1：0.5：0.7。
作为优选的技术方案之一，步骤(5)中的碳化硅是通过以下方法制备得到的：
(51)制备碳化硅前驱体；
(52)碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以25～30℃/min的升温速率升温至1200～1250℃，保温2～3小时，然后以5～8℃/min的升温速率升温至1400～1450℃，保温7～8小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；
(53)将步骤(52)所得初期碳化硅加入质量浓度35％的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得。
作为进一步优选的技术方案之一，步骤(51)的具体方法是：将蔗糖溶于水和乙二醇中，加入硝酸铁，搅拌使其溶解，形成混合溶液，40～60℃边搅拌边加入将硅酸四乙酯和有机硅，再加入柠檬酸，水解15～20小时，制得碳硅二元溶胶，接着加入到六次甲基四胺中，维持在40～60℃温度条件下进行胶凝，凝胶老化20～30小时后，100～150℃条件下干燥12～15小时，制得棕色的碳化硅前驱体；其中，蔗糖、水、乙二醇、硝酸铁、硅酸四乙酯、有机硅、柠檬酸和六次甲基四胺的物质的量之比为1：10～20：8～10：0.02～0.03：3：0.5～0.7：0.1～0.2：0.2～0.3。
作为进一步优选的技术方案之一，步骤(51)所得碳化硅前驱体先研磨成25～40目，然后再进行步骤(52)的处理。
作为优选的技术方案之一，步骤(5)中管式炉加热程序为：在氦气气氛下以5～8℃/min的升温速率升温至300～400℃，保温2～3小时后，以12～15℃/min的升温速率升温至800～900℃后恒温焙烧10～12小时。
本发明还提供了上述一种锂离子电池用复合纳米材料，是通过上述制备方法制备得到的。
本发明具有以下有益效果：
本发明以多壁碳纳米管为原料，制成二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料，然后进一步碳化硅包覆，所得复合纳米材料可用于锂离子电池负极材料，具有首次库伦效率高、容量高和循环稳定性高等优点；具体如下：
1、本发明将多壁碳纳米管先进行酸化，如此可使之分散于水中，反应体系更加环保。多壁碳纳米管通过浓硝酸进行酸化，在120～130℃下反应8～10小时可保证酸化充分，使得多壁碳纳米管完全转化为酸化多壁碳纳米管，进而可均匀分散于水中，以保证所得复合纳米材料的电学性能。
2、酸化多壁碳纳米管的分散液中加入有机碳源发生碳化，更加有利于酸化碳纳米管的均匀分散，进而有助于提高最终所得复合纳米材料的均匀性，使得电学性能指标更加理想。本发明还进一步选择了蔗糖与间苯二酚的混合物作为有机碳源，经验证，该混合物作为有机碳源制得的复合纳米材料的电学性能指标具有明显优势。
3、本发明以正硅酸乙酯作为原料制成溶胶，并与五水合四氯乙烯按照顺序加入分散液Ⅰ中，经水热反应以及一系列后处理制得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料，多壁碳纳米管复合了二氧化硅和二氧化锡可以修饰多壁碳纳米管的表面，调节电流导向，具有优异的导电性。
4、在二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料的表面包覆碳化硅，可明显提高容量和循环稳定性。
5、本发明的碳化硅是先制备碳化硅前驱体，然后将碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，快速升温结合缓慢升温两段式升温处理得到初期碳化硅，最后经酸化处理而得，如此制得的碳化硅具有更佳的包覆性能，使得最终所得复合纳米材料的电学性能更佳。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
一种锂离子电池用复合纳米材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将多壁碳纳米管酸化后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液：
(2)向步骤(1)所得酸化多壁碳纳米管的分散液中加入有机碳源，混匀，超声波分散，得到分散液Ⅰ；
(3)将正硅酸乙酯溶于乙醇中，再加入聚乙二醇1000后超声波分散，然后加入尿素溶液，搅拌形成溶胶，备用；
(4)向步骤(2)分散液Ⅰ中依次加入五水合四氯化锡以及步骤(3)所得溶胶，然后加入浓盐酸(38w.t.％)，之后缓慢加入浓氨水调节pH＝7，于120℃反应2天，水洗，过滤，烘干，420℃焙烧2小时，即得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料；
(5)将碳化硅与步骤(4)所得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得。
其中，步骤(1)的具体方法是：将多壁碳纳米管和浓硝酸搅拌混合均匀，在120℃下反应8小时，将得到的产物经抽滤、洗涤至中性，真空干燥，即得酸化多壁碳纳米管，然后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液。浓硝酸的质量浓度为65％，多壁碳纳米管与浓硝酸的质量体积比为1g：100mL，所述酸化多壁碳纳米管的分散液中酸化多壁碳纳米管的质量浓度为1g/L。
步骤(2)中，所述有机碳源为蔗糖与间苯二酚的混合物，两者的质量比为2：1，该混合物的加入量为酸化多壁碳纳米管的分散液重量的1/10。
步骤(3)中正硅酸乙酯、乙醇、聚乙二醇1000与尿素溶液的质量体积比为1g：10mL：0.08g：2mL，其中，尿素溶液的浓度为20％。搅拌时间为4小时。
步骤(4)中浓氨水的质量浓度为25％。分散液Ⅰ中所含酸化多壁碳纳米管、五水合四氯化锡、溶胶、浓盐酸的质量体积比为1g：50mL：40g：60mL。
步骤(5)中碳化硅与二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料的质量比为1：0.5：0.7。碳化硅是通过以下方法制备得到的：
(51)制备碳化硅前驱体；
(52)碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以25℃/min的升温速率升温至1200℃，保温2小时，然后以5℃/min的升温速率升温至1400℃，保温7小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；
(53)将步骤(52)所得初期碳化硅加入质量浓度35％的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得。
步骤(51)的具体方法是：将蔗糖溶于水和乙二醇中，加入硝酸铁，搅拌使其溶解，形成混合溶液，40℃边搅拌边加入将硅酸四乙酯和有机硅，再加入柠檬酸，水解15小时，制得碳硅二元溶胶，接着加入到六次甲基四胺中，维持在40℃温度条件下进行胶凝，凝胶老化20小时后，100℃条件下干燥12小时，制得棕色的碳化硅前驱体；其中，蔗糖、水、乙二醇、硝酸铁、硅酸四乙酯、有机硅、柠檬酸和六次甲基四胺的物质的量之比为1：10：8：0.02：3：0.5：0.1：0.2。
步骤(51)所得碳化硅前驱体先研磨成25目，然后再进行步骤(52)的处理。
管式炉加热程序为：在氦气气氛下以5℃/min的升温速率升温至300℃，保温2小时后，以12℃/min的升温速率升温至800℃后恒温焙烧10小时。
一种锂离子电池用复合纳米材料，是通过上述制备方法制备得到的。
实施例2：
一种锂离子电池用复合纳米材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将多壁碳纳米管酸化后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液：
(2)向步骤(1)所得酸化多壁碳纳米管的分散液中加入有机碳源，混匀，超声波分散，得到分散液Ⅰ；
(3)将正硅酸乙酯溶于乙醇中，再加入聚乙二醇1000后超声波分散，然后加入尿素溶液，搅拌形成溶胶，备用；
(4)向步骤(2)分散液Ⅰ中依次加入五水合四氯化锡以及步骤(3)所得溶胶，然后加入浓盐酸(38w.t.％)，之后缓慢加入浓氨水调节pH＝10，于180℃反应3天，水洗，过滤，烘干，440℃焙烧3小时，即得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料；
(5)将碳化硅与步骤(4)所得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得。
其中，步骤(1)的具体方法是：将多壁碳纳米管和浓硝酸搅拌混合均匀，在130℃下反应10小时，将得到的产物经抽滤、洗涤至中性，真空干燥，即得酸化多壁碳纳米管，然后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液。浓硝酸的质量浓度为65％，多壁碳纳米管与浓硝酸的质量体积比为1g：100mL，所述酸化多壁碳纳米管的分散液中酸化多壁碳纳米管的质量浓度为1g/L。
步骤(2)中，所述有机碳源为蔗糖与间苯二酚的混合物，两者的质量比为2：1，该混合物的加入量为酸化多壁碳纳米管的分散液重量的1/10。
步骤(3)中正硅酸乙酯、乙醇、聚乙二醇1000与尿素溶液的质量体积比为1g：20mL：0.1g：3mL，其中，尿素溶液的浓度为30％。搅拌时间为5小时。
步骤(4)中浓氨水的质量浓度为25％。分散液Ⅰ中所含酸化多壁碳纳米管、五水合四氯化锡、溶胶、浓盐酸的质量体积比为1g：60mL：50g：70mL。
步骤(5)中碳化硅与二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料的质量比为1：0.5：0.7。碳化硅是通过以下方法制备得到的：
(51)制备碳化硅前驱体；
(52)碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以30℃/min的升温速率升温至1250℃，保温3小时，然后以8℃/min的升温速率升温至1450℃，保温8小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；
(53)将步骤(52)所得初期碳化硅加入质量浓度35％的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得。
步骤(51)的具体方法是：将蔗糖溶于水和乙二醇中，加入硝酸铁，搅拌使其溶解，形成混合溶液，60℃边搅拌边加入将硅酸四乙酯和有机硅，再加入柠檬酸，水解20小时，制得碳硅二元溶胶，接着加入到六次甲基四胺中，维持在60℃温度条件下进行胶凝，凝胶老化30小时后，150℃条件下干燥15小时，制得棕色的碳化硅前驱体；其中，蔗糖、水、乙二醇、硝酸铁、硅酸四乙酯、有机硅、柠檬酸和六次甲基四胺的物质的量之比为1：20：10：0.03：3：0.7：0.2：0.3。
步骤(51)所得碳化硅前驱体先研磨成40目，然后再进行步骤(52)的处理。
管式炉加热程序为：在氦气气氛下以8℃/min的升温速率升温至400℃，保温3小时后，以15℃/min的升温速率升温至900℃后恒温焙烧12小时。
一种锂离子电池用复合纳米材料，是通过上述制备方法制备得到的。
实施例3：
一种锂离子电池用复合纳米材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将多壁碳纳米管酸化后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液：
(2)向步骤(1)所得酸化多壁碳纳米管的分散液中加入有机碳源，混匀，超声波分散，得到分散液Ⅰ；
(3)将正硅酸乙酯溶于乙醇中，再加入聚乙二醇1000后超声波分散，然后加入尿素溶液，搅拌形成溶胶，备用；
(4)向步骤(2)分散液Ⅰ中依次加入五水合四氯化锡以及步骤(3)所得溶胶，然后加入浓盐酸(38w.t.％)，之后缓慢加入浓氨水调节pH＝7，于180℃反应2天，水洗，过滤，烘干，440℃焙烧2小时，即得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料；
(5)将碳化硅与步骤(4)所得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得。
其中，步骤(1)的具体方法是：将多壁碳纳米管和浓硝酸搅拌混合均匀，在130℃下反应8小时，将得到的产物经抽滤、洗涤至中性，真空干燥，即得酸化多壁碳纳米管，然后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液。浓硝酸的质量浓度为65％，多壁碳纳米管与浓硝酸的质量体积比为1g：100mL，所述酸化多壁碳纳米管的分散液中酸化多壁碳纳米管的质量浓度为1g/L。
步骤(2)中，所述有机碳源为蔗糖与间苯二酚的混合物，两者的质量比为2：1，该混合物的加入量为酸化多壁碳纳米管的分散液重量的1/10。
步骤(3)中正硅酸乙酯、乙醇、聚乙二醇1000与尿素溶液的质量体积比为1g：20mL：0.08g：3mL，其中，尿素溶液的浓度为20％。搅拌时间为5小时。
步骤(4)中浓氨水的质量浓度为25％。分散液Ⅰ中所含酸化多壁碳纳米管、五水合四氯化锡、溶胶、浓盐酸的质量体积比为1g：50mL：50g：60mL。
步骤(5)中碳化硅与二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料的质量比为1：0.5：0.7。碳化硅是通过以下方法制备得到的：
(51)制备碳化硅前驱体；
(52)碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以30℃/min的升温速率升温至1200℃，保温3小时，然后以5℃/min的升温速率升温至1450℃，保温7小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；
(53)将步骤(52)所得初期碳化硅加入质量浓度35％的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得。
步骤(51)的具体方法是：将蔗糖溶于水和乙二醇中，加入硝酸铁，搅拌使其溶解，形成混合溶液，60℃边搅拌边加入将硅酸四乙酯和有机硅，再加入柠檬酸，水解15小时，制得碳硅二元溶胶，接着加入到六次甲基四胺中，维持在60℃温度条件下进行胶凝，凝胶老化20小时后，150℃条件下干燥12小时，制得棕色的碳化硅前驱体；其中，蔗糖、水、乙二醇、硝酸铁、硅酸四乙酯、有机硅、柠檬酸和六次甲基四胺的物质的量之比为1：20：8：0.03：3：0.5：0.2：0.2。
步骤(51)所得碳化硅前驱体先研磨成40目，然后再进行步骤(52)的处理。
管式炉加热程序为：在氦气气氛下以5℃/min的升温速率升温至400℃，保温2小时后，以15℃/min的升温速率升温至800℃后恒温焙烧12小时。
一种锂离子电池用复合纳米材料，是通过上述制备方法制备得到的。
实施例4：
一种锂离子电池用复合纳米材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将多壁碳纳米管酸化后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液：
(2)向步骤(1)所得酸化多壁碳纳米管的分散液中加入有机碳源，混匀，超声波分散，得到分散液Ⅰ；
(3)将正硅酸乙酯溶于乙醇中，再加入聚乙二醇1000后超声波分散，然后加入尿素溶液，搅拌形成溶胶，备用；
(4)向步骤(2)分散液Ⅰ中依次加入五水合四氯化锡以及步骤(3)所得溶胶，然后加入浓盐酸(38w.t.％)，之后缓慢加入浓氨水调节pH＝10，于120℃反应3天，水洗，过滤，烘干，420℃焙烧3小时，即得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料；
(5)将碳化硅与步骤(4)所得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得。
其中，步骤(1)的具体方法是：将多壁碳纳米管和浓硝酸搅拌混合均匀，在120℃下反应10小时，将得到的产物经抽滤、洗涤至中性，真空干燥，即得酸化多壁碳纳米管，然后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液。浓硝酸的质量浓度为65％，多壁碳纳米管与浓硝酸的质量体积比为1g：100mL，所述酸化多壁碳纳米管的分散液中酸化多壁碳纳米管的质量浓度为1g/L。
步骤(2)中，所述有机碳源为蔗糖与间苯二酚的混合物，两者的质量比为2：1，该混合物的加入量为酸化多壁碳纳米管的分散液重量的1/10。
步骤(3)中正硅酸乙酯、乙醇、聚乙二醇1000与尿素溶液的质量体积比为1g：10mL：0.1g：2mL，其中，尿素溶液的浓度为30％。搅拌时间为4小时。
步骤(4)中浓氨水的质量浓度为25％。分散液Ⅰ中所含酸化多壁碳纳米管、五水合四氯化锡、溶胶、浓盐酸的质量体积比为1g：60mL：40g：70mL。
步骤(5)中碳化硅与二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料的质量比为1：0.5：0.7。碳化硅是通过以下方法制备得到的：
(51)制备碳化硅前驱体；
(52)碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以25℃/min的升温速率升温至1250℃，保温2小时，然后以8℃/min的升温速率升温至1400℃，保温8小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；
(53)将步骤(52)所得初期碳化硅加入质量浓度35％的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得。
步骤(51)的具体方法是：将蔗糖溶于水和乙二醇中，加入硝酸铁，搅拌使其溶解，形成混合溶液，40℃边搅拌边加入将硅酸四乙酯和有机硅，再加入柠檬酸，水解20小时，制得碳硅二元溶胶，接着加入到六次甲基四胺中，维持在40℃温度条件下进行胶凝，凝胶老化30小时后，100℃条件下干燥15小时，制得棕色的碳化硅前驱体；其中，蔗糖、水、乙二醇、硝酸铁、硅酸四乙酯、有机硅、柠檬酸和六次甲基四胺的物质的量之比为1：10：10：0.02：3：0.7：0.1：0.3。
步骤(51)所得碳化硅前驱体先研磨成25目，然后再进行步骤(52)的处理。
管式炉加热程序为：在氦气气氛下以8℃/min的升温速率升温至300℃，保温3小时后，以12℃/min的升温速率升温至900℃后恒温焙烧10小时。
一种锂离子电池用复合纳米材料，是通过上述制备方法制备得到的。
实施例5：
一种锂离子电池用复合纳米材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将多壁碳纳米管酸化后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液：
(2)向步骤(1)所得酸化多壁碳纳米管的分散液中加入有机碳源，混匀，超声波分散，得到分散液Ⅰ；
(3)将正硅酸乙酯溶于乙醇中，再加入聚乙二醇1000后超声波分散，然后加入尿素溶液，搅拌形成溶胶，备用；
(4)向步骤(2)分散液Ⅰ中依次加入五水合四氯化锡以及步骤(3)所得溶胶，然后加入浓盐酸(38w.t.％)，之后缓慢加入浓氨水调节pH＝8，于160℃反应2天，水洗，过滤，烘干，430℃焙烧2.5小时，即得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料；
(5)将碳化硅与步骤(4)所得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得。
其中，步骤(1)的具体方法是：将多壁碳纳米管和浓硝酸搅拌混合均匀，在125℃下反应9小时，将得到的产物经抽滤、洗涤至中性，真空干燥，即得酸化多壁碳纳米管，然后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液。浓硝酸的质量浓度为65％，多壁碳纳米管与浓硝酸的质量体积比为1g：100mL，所述酸化多壁碳纳米管的分散液中酸化多壁碳纳米管的质量浓度为1g/L。
步骤(2)中，所述有机碳源为蔗糖与间苯二酚的混合物，两者的质量比为2：1，该混合物的加入量为酸化多壁碳纳米管的分散液重量的1/10。
步骤(3)中正硅酸乙酯、乙醇、聚乙二醇1000与尿素溶液的质量体积比为1g：15mL：0.09g：2.5mL，其中，尿素溶液的浓度为25％。搅拌时间为4.5小时。
步骤(4)中浓氨水的质量浓度为25％。分散液Ⅰ中所含酸化多壁碳纳米管、五水合四氯化锡、溶胶、浓盐酸的质量体积比为1g：55mL：45g：65mL。
步骤(5)中碳化硅与二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料的质量比为1：0.5：0.7。碳化硅是通过以下方法制备得到的：
(51)制备碳化硅前驱体；
(52)碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以28℃/min的升温速率升温至1225℃，保温2.5小时，然后以7℃/min的升温速率升温至1425℃，保温7.5小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；
(53)将步骤(52)所得初期碳化硅加入质量浓度35％的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得。
步骤(51)的具体方法是：将蔗糖溶于水和乙二醇中，加入硝酸铁，搅拌使其溶解，形成混合溶液，50℃边搅拌边加入将硅酸四乙酯和有机硅，再加入柠檬酸，水解18小时，制得碳硅二元溶胶，接着加入到六次甲基四胺中，维持在50℃温度条件下进行胶凝，凝胶老化25小时后，125℃条件下干燥14小时，制得棕色的碳化硅前驱体；其中，蔗糖、水、乙二醇、硝酸铁、硅酸四乙酯、有机硅、柠檬酸和六次甲基四胺的物质的量之比为1：15：9：0.03：3：0.6：0.1：0.3。
步骤(51)所得碳化硅前驱体先研磨成30目，然后再进行步骤(52)的处理。
管式炉加热程序为：在氦气气氛下以6℃/min的升温速率升温至350℃，保温2.5小时后，以13℃/min的升温速率升温至850℃后恒温焙烧11小时。
一种锂离子电池用复合纳米材料，是通过上述制备方法制备得到的。
对比例1
一种锂离子电池用复合纳米材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将多壁碳纳米管酸化后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液：
(2)向步骤(1)所得酸化多壁碳纳米管的分散液中加入有机碳源，混匀，超声波分散，得到分散液Ⅰ；
(3)将正硅酸乙酯溶于乙醇中，再加入聚乙二醇1000后超声波分散，然后加入尿素溶液，搅拌形成溶胶，备用；
(4)向步骤(2)分散液Ⅰ中依次加入五水合四氯化锡以及步骤(3)所得溶胶，然后加入浓盐酸(38w.t.％)，之后缓慢加入浓氨水调节pH＝8，于160℃反应2天，水洗，过滤，烘干，430℃焙烧2.5小时，即得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料；
(5)将碳化硅与步骤(4)所得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得。
其中，步骤(1)的具体方法是：将多壁碳纳米管和浓硝酸搅拌混合均匀，在125℃下反应9小时，将得到的产物经抽滤、洗涤至中性，真空干燥，即得酸化多壁碳纳米管，然后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液。浓硝酸的质量浓度为65％，多壁碳纳米管与浓硝酸的质量体积比为1g：100mL，所述酸化多壁碳纳米管的分散液中酸化多壁碳纳米管的质量浓度为1g/L。
步骤(2)中，所述有机碳源为蔗糖，其加入量为酸化多壁碳纳米管的分散液重量的1/10。
步骤(3)中正硅酸乙酯、乙醇、聚乙二醇1000与尿素溶液的质量体积比为1g：15mL：0.09g：2.5mL，其中，尿素溶液的浓度为25％。搅拌时间为4.5小时。
步骤(4)中浓氨水的质量浓度为25％。分散液Ⅰ中所含酸化多壁碳纳米管、五水合四氯化锡、溶胶、浓盐酸的质量体积比为1g：55mL：45g：65mL。
步骤(5)中碳化硅与二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料的质量比为1：0.5：0.7。碳化硅是通过以下方法制备得到的：
(51)制备碳化硅前驱体；
(52)碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以28℃/min的升温速率升温至1225℃，保温2.5小时，然后以7℃/min的升温速率升温至1425℃，保温7.5小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；
(53)将步骤(52)所得初期碳化硅加入质量浓度35％的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得。
步骤(51)的具体方法是：将蔗糖溶于水和乙二醇中，加入硝酸铁，搅拌使其溶解，形成混合溶液，50℃边搅拌边加入将硅酸四乙酯和有机硅，再加入柠檬酸，水解18小时，制得碳硅二元溶胶，接着加入到六次甲基四胺中，维持在50℃温度条件下进行胶凝，凝胶老化25小时后，125℃条件下干燥14小时，制得棕色的碳化硅前驱体；其中，蔗糖、水、乙二醇、硝酸铁、硅酸四乙酯、有机硅、柠檬酸和六次甲基四胺的物质的量之比为1：15：9：0.03：3：0.6：0.1：0.3。
步骤(51)所得碳化硅前驱体先研磨成30目，然后再进行步骤(52)的处理。
管式炉加热程序为：在氦气气氛下以6℃/min的升温速率升温至350℃，保温2.5小时后，以13℃/min的升温速率升温至850℃后恒温焙烧11小时。
一种锂离子电池用复合纳米材料，是通过上述制备方法制备得到的。
对比例2
一种锂离子电池用复合纳米材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将多壁碳纳米管酸化后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液：
(2)向步骤(1)所得酸化多壁碳纳米管的分散液中加入有机碳源，混匀，超声波分散，得到分散液Ⅰ；
(3)将正硅酸乙酯溶于乙醇中，再加入聚乙二醇1000后超声波分散，然后加入尿素溶液，搅拌形成溶胶，备用；
(4)向步骤(2)分散液Ⅰ中依次加入五水合四氯化锡以及步骤(3)所得溶胶，然后加入浓盐酸(38w.t.％)，之后缓慢加入浓氨水调节pH＝8，于160℃反应2天，水洗，过滤，烘干，430℃焙烧2.5小时，即得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料。
其中，步骤(1)的具体方法是：将多壁碳纳米管和浓硝酸搅拌混合均匀，在125℃下反应9小时，将得到的产物经抽滤、洗涤至中性，真空干燥，即得酸化多壁碳纳米管，然后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液。浓硝酸的质量浓度为65％，多壁碳纳米管与浓硝酸的质量体积比为1g：100mL，所述酸化多壁碳纳米管的分散液中酸化多壁碳纳米管的质量浓度为1g/L。
步骤(2)中，所述有机碳源为蔗糖与间苯二酚的混合物，两者的质量比为2：1，该混合物的加入量为酸化多壁碳纳米管的分散液重量的1/10。
步骤(3)中正硅酸乙酯、乙醇、聚乙二醇1000与尿素溶液的质量体积比为1g：15mL：0.09g：2.5mL，其中，尿素溶液的浓度为25％。搅拌时间为4.5小时。
步骤(4)中浓氨水的质量浓度为25％。分散液Ⅰ中所含酸化多壁碳纳米管、五水合四氯化锡、溶胶、浓盐酸的质量体积比为1g：55mL：45g：65mL。
一种锂离子电池用复合纳米材料，是通过上述制备方法制备得到的。
对比例3
一种锂离子电池用复合纳米材料的制备方法，具体步骤如下：
(1)将多壁碳纳米管酸化后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液：
(2)向步骤(1)所得酸化多壁碳纳米管的分散液中加入有机碳源，混匀，超声波分散，得到分散液Ⅰ；
(3)向步骤(2)分散液Ⅰ中加入五水合四氯化锡，然后加入浓盐酸(38w.t.％)，之后缓慢加入浓氨水调节pH＝8，于160℃反应2天，水洗，过滤，烘干，430℃焙烧2.5小时，即得二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料；
(4)将碳化硅与步骤(3)所得二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得。
其中，步骤(1)的具体方法是：将多壁碳纳米管和浓硝酸搅拌混合均匀，在125℃下反应9小时，将得到的产物经抽滤、洗涤至中性，真空干燥，即得酸化多壁碳纳米管，然后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液。浓硝酸的质量浓度为65％，多壁碳纳米管与浓硝酸的质量体积比为1g：100mL，所述酸化多壁碳纳米管的分散液中酸化多壁碳纳米管的质量浓度为1g/L。
步骤(2)中，所述有机碳源为蔗糖与间苯二酚的混合物，两者的质量比为2：1，该混合物的加入量为酸化多壁碳纳米管的分散液重量的1/10。
步骤(3)中浓氨水的质量浓度为25％。分散液Ⅰ中所含酸化多壁碳纳米管、五水合四氯化锡、浓盐酸的质量体积比为1g：55mL：65mL。
步骤(4)中碳化硅与二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料的质量比为1：0.5：0.7。碳化硅是通过以下方法制备得到的：
(41)制备碳化硅前驱体；
(42)碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以28℃/min的升温速率升温至1225℃，保温2.5小时，然后以7℃/min的升温速率升温至1425℃，保温7.5小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；
(43)将步骤(42)所得初期碳化硅加入质量浓度35％的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得。
步骤(41)的具体方法是：将蔗糖溶于水和乙二醇中，加入硝酸铁，搅拌使其溶解，形成混合溶液，50℃边搅拌边加入将硅酸四乙酯和有机硅，再加入柠檬酸，水解18小时，制得碳硅二元溶胶，接着加入到六次甲基四胺中，维持在50℃温度条件下进行胶凝，凝胶老化25小时后，125℃条件下干燥14小时，制得棕色的碳化硅前驱体；其中，蔗糖、水、乙二醇、硝酸铁、硅酸四乙酯、有机硅、柠檬酸和六次甲基四胺的物质的量之比为1：15：9：0.03：3：0.6：0.1：0.3。
步骤(41)所得碳化硅前驱体先研磨成30目，然后再进行步骤(42)的处理。
管式炉加热程序为：在氦气气氛下以6℃/min的升温速率升温至350℃，保温2.5小时后，以13℃/min的升温速率升温至850℃后恒温焙烧11小时。
一种锂离子电池用复合纳米材料，是通过上述制备方法制备得到的。
试验例
将实施例1～5和对比例1～3所得复合纳米材料进行应用测试。
分别以使上述复合纳米材料作为负极，锂片作为对电极，美国Celgard为隔膜，1mol/L的LiPF6/EC+DMC[V(EC)：V(DMC)＝1:1]为电解液，在充满氩气的不锈钢手套箱中装配成扣式电池。在Land-BTL10(蓝电)全自动电池程控测试仪上进行恒流恒压充放电测试，各个电学性能指标见表1。
表1.电学性能比较
Figure BDA0001371226030000141
由表1可知，本发明的复合纳米材料具有较高的首次库伦效率、高容量和高循环稳定性，远远优于对比例1～3。对比例1有机碳源采用蔗糖，对比例2略去了碳化硅包覆，对比例3略去了二氧化硅复合，电学性能指标明显变差，说明碳纳米管的分散性、碳纳米管的表面包覆以及碳纳米管的表面修饰都直接关系到所得复合纳米材料的电学性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种锂离子电池用复合纳米材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将多壁碳纳米管酸化后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液：
（2）向步骤（1）所得酸化多壁碳纳米管的分散液中加入有机碳源，混匀，超声波分散，得到分散液Ⅰ；
（3）将正硅酸乙酯溶于乙醇中，再加入聚乙二醇1000后超声波分散，然后加入尿素溶液，搅拌形成溶胶，备用；
（4）向步骤（2）分散液Ⅰ中依次加入五水合四氯化锡以及步骤（3）所得溶胶，然后加入浓盐酸，之后缓慢加入浓氨水调节pH=7～10，于120～180℃反应2～3天，水洗，过滤，烘干，420～440℃焙烧2～3小时，即得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料；
（5）将碳化硅与步骤（4）所得二氧化硅/二氧化锡/多壁碳纳米管复合纳米材料一并置于球磨机中研磨，将所得粉体置于管式炉中加热焙烧，然后随炉降至室温，即得；
步骤（2）中，所述有机碳源为蔗糖与间苯二酚的混合物，两者的质量比为2：1，该混合物的加入量为酸化多壁碳纳米管的分散液重量的1/10；
步骤（5）中的碳化硅是通过以下方法制备得到的：
（51）制备碳化硅前驱体；
（52）碳化硅前驱体在氦气气氛保护下，以25～30℃/min的升温速率升温至1200～1250℃，保温2～3小时，然后以5～8℃/min的升温速率升温至1400～1450℃，保温7～8小时，自然冷却至室温，得到墨绿色的初期碳化硅；
（53）将步骤（52）所得初期碳化硅加入质量浓度35%的氢氟酸溶液中，除去未反应的二氧化硅，水洗，过滤，烘干，即得；
步骤（3）中正硅酸乙酯、乙醇、聚乙二醇1000与尿素溶液的质量体积比为1g：10～20mL：0.08～0.1g：2～3mL，其中，尿素溶液的浓度为20～30%；
步骤（1）的具体方法是：将多壁碳纳米管和浓硝酸搅拌混合均匀，在120～130℃下反应8～10小时，将得到的产物经抽滤、洗涤至中性，真空干燥，即得酸化多壁碳纳米管，然后分散于水中，得到酸化多壁碳纳米管的分散液；
浓硝酸的质量浓度为65%，多壁碳纳米管与浓硝酸的质量体积比为1g：100mL，所述酸化多壁碳纳米管的分散液中酸化多壁碳纳米管的质量浓度为1g/L；
步骤（3）的搅拌时间为4～5小时。
2.一种锂离子电池用复合纳米材料，是通过权利要求1所述的制备方法制备得到的。
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