CN108206270B - 一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法 - Google Patents

一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108206270B
CN108206270B CN201810049060.0A CN201810049060A CN108206270B CN 108206270 B CN108206270 B CN 108206270B CN 201810049060 A CN201810049060 A CN 201810049060A CN 108206270 B CN108206270 B CN 108206270B
Authority
CN
China
Prior art keywords
composite material
nano
carbon
silicon composite
coated nano
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810049060.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108206270A (zh
Inventor
朱聪旭
陈超
岳红伟
李婷婷
杨晓刚
武玺旺
铁伟伟
高远浩
郑直
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xuchang University
Original Assignee
Xuchang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xuchang University filed Critical Xuchang University
Priority to CN201810049060.0A priority Critical patent/CN108206270B/zh
Publication of CN108206270A publication Critical patent/CN108206270A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108206270B publication Critical patent/CN108206270B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H01M4/364—Composites as mixtures
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明公开了一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，属于纳米材料制备技术领域。该方法包括：将镁粉、纳米氧化硅以及无机盐按照一定比例混合后采用干压成型工艺压制成片状，然后将片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中高温煅烧，煅烧完成后分别在盐酸溶液和氢氟酸溶液中进行一次酸洗和二次酸洗，离心清洗至中性，最后真空干燥得到碳纳米片包覆纳米硅复合材料。本发明提供的原位制备方法操作简单，条件温和，在相对较低的温度下利用简单设备实现了碳纳米片包覆纳米硅复合材料的制备，安全环保，有效降低了碳改性纳米硅复合材料的制备成本。

Description

一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体为一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法。
背景技术
当今社会，伴随着经济的高速发展，能源危机和环境问题日益加剧。锂离子电池因其具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低、工作温度范围宽、安全可靠以及环境友好等优点而被广泛应用在纯电动汽车、混合动力汽车以及储能等领域。其中硅作为负极材料因其较高的理论比容量、低的脱锂电位以及环境友好、储量丰富而引起大家的广泛关注。但是硅基负极材料在使用中仍存在关键致命缺点：硅材料在充放电过程中反复膨胀收缩，导致循环性能极差。为了解决这个问题，目前研究者主要从制备纳米级的硅材料及其进行碳包覆或者氧化钛包覆。
对于制备碳包覆的纳米硅复合材料方面，由于作为新型碳纳米材料的石墨烯具有优异的电学、力学性能，高的理论比表面积，所以研究者多是将石墨烯与纳米硅直接复合或者采用气相裂解技术对纳米硅进行碳包覆，其中气相裂解法采用甲烷或者乙炔作为碳源，成本较高，且容易发生***，不安全。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，方法温和，工艺简单，安全环保，有效降低了碳改性纳米硅复合材料的制备成本。
本发明提供的一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，包括以下步骤：
S1、按照4～12：1：1～8的物质的量之比称量镁粉、纳米氧化硅以及无机盐并混合均匀，将混合物采用干压成型工艺压制成片状；
S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，按照 3～5℃/min的速率升温至650～720℃并保温120～360min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；
S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行30～60min的一次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，然后进行15～30min的二次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，最后将离心产物于60～90℃下进行真空干燥，干燥时间为 6～24h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。
优选的，S1中镁粉的粒径为10～70μm，纳米氧化硅的粒径为40～80nm。
优选的，S1无机盐为氯化钠、氯化钾、氯化钙以及氯化镁中的一种或者多种。
优选的，S1中干压成型工艺的压力为15～25MPa。
优选的，S2煅烧过程中二氧化碳气体的流量为10～30mL/min。
优选的，S3中一次酸洗采用体积分数为20％～30％的盐酸溶液，二次酸洗采用体积分数为5％～10％的氢氟酸溶液。
优选的，离心清洗时设定的转速为8000～10000r/min。
与现有技术相比，本发明的制备方法具有以下有益效果：本发明通过原位制备的方法得到碳纳米片包覆纳米硅的复合材料，采用纳米氧化硅为硅源，二氧化碳为碳源，镁为还原剂，无机盐作为硬模板，通过高温原位还原，纳米氧化硅被还原为硅，多余的镁还原二氧化碳为碳，且在无机盐硬模板表面沉积为碳纳米片。该方法成本低廉，条件温和，安全环保，有效解决了现有的气相裂解法存在的易***不安全以及环境污染等问题。
附图说明
图1为实施例1的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；
图2为实施例2的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；
图3为实施例3的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；
图4为实施例4的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的拉曼光谱图；
图5为实施例1的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；
图6为实施例2的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；
图7为实施例3的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；
图8为实施例4的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的SEM图；
图9为实施例1的样品碳纳米片包覆纳米硅的复合材料的透射电镜图和扫描能谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
S1、按照8：1：2的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠 1.92g、0.6g以及1.168g，其中镁粉的粒径为70μm，纳米氧化硅的粒径为40nm，然后将粉末混合均匀并于20MPa压力下采用干压成型工艺压制成片状；
S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，煅烧过程中控制二氧化碳的流量为10mL/min，按照5℃/min的速率升温至670℃并保温240min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；
S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行在体积分数为20％的盐酸溶液中浸泡30min进行一次酸洗，去掉反应产生的氧化镁，用去离子水于 10000r/min的速率下离心清洗至中性，然后在体积分数为8％的氢氟酸溶液中进行15min的二次酸洗，去掉可能存在的微量没有反应的纳米氧化硅，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，最后将离心产物于60℃进行真空干燥，干燥时间为24h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。
实施例2
S1、按照4：1：1的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠 0.96g、0.6g以及0.584g，其中镁粉的粒径为10μm，纳米氧化硅的粒径为80nm，然后将粉末混合均匀并于15MPa压力下采用干压成型工艺压制成片状；
S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，煅烧过程中控制二氧化碳的流量为20mL/min，按照3℃/min的速率升温至650℃并保温360min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；
S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行在体积分数为25％的盐酸溶液中浸泡60min进行一次酸洗，去掉反应产生的氧化镁，用去离子水于 8000r/min的速率下离心清洗至中性，然后在体积分数为10％的氢氟酸溶液中进行30min的二次酸洗，去掉可能存在的微量没有反应的纳米氧化硅，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，最后将离心产物于90℃进行真空干燥，干燥时间为6h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。
实施例3
S1、按照12：1：8的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠2.88g、0.6g以及4.672g，其中镁粉的粒径为10μm，纳米氧化硅的粒径为 80nm，然后将粉末混合均匀并于25MPa压力下采用干压成型工艺压制成片状；
S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，煅烧过程中控制二氧化碳的流量为30mL/min，按照5℃/min的速率升温至720℃并保温120min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；
S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行在体积分数为30％的盐酸溶液中浸泡60min进行一次酸洗，去掉反应产生的氧化镁，用去离子水于 10000r/min的速率下离心清洗至中性，然后在体积分数为8％的氢氟酸溶液中进行15min的二次酸洗，去掉可能存在的微量没有反应的纳米氧化硅，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，最后将离心产物于80℃进行真空干燥，干燥时间为12h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。
实施例4
S1、按照10：1：5的物质的量之比分别称量镁粉、纳米氧化硅以及氯化钠2.4g、0.6g以及2.92g，其中镁粉的粒径为10μm，纳米氧化硅的粒径为40nm，然后将粉末混合均匀并于20MPa压力下采用干压成型工艺压制成片状；
S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，煅烧过程中控制二氧化碳的流量为10mL/min，按照5℃/min的速率升温至700℃并保温150min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；
S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行在体积分数为20％的盐酸溶液中浸泡60min进行一次酸洗，去掉反应产生的氧化镁，用去离子水于 10000r/min的速率下离心清洗至中性，然后在体积分数为8％的氢氟酸溶液中进行20min的二次酸洗，去掉可能存在的微量没有反应的纳米氧化硅，用去离子水于10000r/min的速率下离心清洗至中性，最后将离心产物于60℃进行真空干燥，干燥时间为24h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。
首先我们对实施例1-实施例4的样品进行了拉曼光谱测试，图1-图4分别为实施例1、实施例2、实施例3以及实施例4的样品的拉曼光谱图，从图 1可以看出，拉曼光谱图中出现了明显的硅的特征激光拉曼峰以及碳对应的D 峰、G峰和2D峰，从图2-图4可以看出，拉曼光谱图中出现了明显的硅的特征激光拉曼峰以及碳对应的D峰和G峰，说明实施例1-实施例4的样品均为碳硅复合材料，实施例1-实施例4提供的方法能够原位制备出硅碳复合材料。
然后我们对实施例1-实施例4的样品进行了扫描电子显微镜测试，图5- 图8分别为实施例1、实施例2、实施例3以及实施例4的样品的SEM图，从 SEM图中可以看出，实施例1-实施例4中的样品形貌为纳米片状。
最后我们对实施例1的样品进行了扫描透射电子显微镜测试，图9的(a) 和(b)、(c)分别为实施例1的样品的透射电镜图以及扫描能谱图，从图9的(a) 中可以看出，实施例1的样品呈现纳米片包覆纳米颗粒状物体的状态；从图9的 (b)和(c)可以看出，纳米片为碳纳米片，被包覆的颗粒为纳米硅；结合图 9的(a)、(b)、(c)可知，实施例1的样品为碳纳米片包覆纳米硅颗粒的复合材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照4～12：1：1～8的物质的量之比称量镁粉、纳米氧化硅以及无机盐并混合均匀，将混合物采用干压成型工艺压制成片状；
S2、将S1得到的片状材料于二氧化碳氛围下在管式炉中进行煅烧，按照3～5℃/min的速率升温至650～720℃并保温120～360min，煅烧完成后冷却得到碳纳米片包覆纳米硅粗品；
S3、将S2得到的碳纳米片包覆纳米硅粗品首先进行30～60min的一次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，然后进行15～30min的二次酸洗，用去离子水离心清洗至中性，最后将离心产物于60～90℃下进行真空干燥，干燥时间为6～24h，得到纯化的碳纳米片包覆纳米硅的复合材料。
2.如权利要求1所述的一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，其特征在于，所述S1中镁粉的粒径为10～70μm，纳米氧化硅的粒径为40～80nm。
3.如权利要求1所述的一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，其特征在于，所述S1无机盐为氯化钠、氯化钾、氯化钙以及氯化镁中的一种或者多种。
4.如权利要求1所述的一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，其特征在于，所述S1中干压成型工艺的压力为15～25MPa。
5.如权利要求1所述的一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，其特征在于，所述S2煅烧过程中二氧化碳气体的流量为10～30mL/min。
6.如权利要求1所述的一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，其特征在于，所述S3中一次酸洗采用体积分数为20％～30％的盐酸溶液，二次酸洗采用体积分数为5％～10％的氢氟酸溶液。
7.如权利要求1所述的一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法，其特征在于，所述离心清洗时设定的转速为8000～10000r/min。
CN201810049060.0A 2018-01-18 2018-01-18 一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法 Active CN108206270B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810049060.0A CN108206270B (zh) 2018-01-18 2018-01-18 一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810049060.0A CN108206270B (zh) 2018-01-18 2018-01-18 一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108206270A CN108206270A (zh) 2018-06-26
CN108206270B true CN108206270B (zh) 2020-08-04

Family

ID=62606320

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810049060.0A Active CN108206270B (zh) 2018-01-18 2018-01-18 一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108206270B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110085442B (zh) * 2019-04-24 2021-11-26 天津大学 MXene三维组装体、其制备方法及应用
CN110655056B (zh) * 2019-10-10 2021-06-29 许昌学院 一种多孔纳米硅碳复合材料的制备方法
CN111029541B (zh) * 2019-11-18 2023-07-25 南京林业大学 类蜂窝状锂离子电池用硅碳复合电极材料及其制备方法
CN111313029A (zh) * 2020-02-28 2020-06-19 湖南农业大学 一种中空结构紧密结合型高性能硅/石墨化碳复合材料及其制备方法和应用
CN111628152A (zh) * 2020-06-10 2020-09-04 中南民族大学 一种硅碳复合材料及其制备方法和新型碳材料
CN111453733A (zh) * 2020-06-10 2020-07-28 中南民族大学 一种纳米β-碳化硅及其制备方法
CN113372609B (zh) * 2021-06-24 2022-11-08 中南大学 一种多孔柔性gnp/pdms复合材料及其制备方法和在应变传感器中的应用
CN113725409A (zh) * 2021-07-29 2021-11-30 合肥国轩高科动力能源有限公司 一种硅基负极材料及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103151503A (zh) * 2012-12-10 2013-06-12 昆明理工大学 一种锂离子电池硅基复合负极材料及其制备方法
CN103332681A (zh) * 2013-07-10 2013-10-02 中国科学院电工研究所 一种由二氧化碳转化制备多孔碳基纳米材料的方法
CN104466185A (zh) * 2014-11-12 2015-03-25 中国科学院深圳先进技术研究院 硅/碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池及其负极
CN106848273A (zh) * 2017-01-19 2017-06-13 深圳市沃特玛电池有限公司 一种硅碳复合材料的制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105762338A (zh) * 2016-02-04 2016-07-13 天津大学 一种利用镁热还原制备锂离子电池硅碳负极材料的方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103151503A (zh) * 2012-12-10 2013-06-12 昆明理工大学 一种锂离子电池硅基复合负极材料及其制备方法
CN103332681A (zh) * 2013-07-10 2013-10-02 中国科学院电工研究所 一种由二氧化碳转化制备多孔碳基纳米材料的方法
CN104466185A (zh) * 2014-11-12 2015-03-25 中国科学院深圳先进技术研究院 硅/碳复合负极材料及其制备方法、锂离子电池及其负极
CN106848273A (zh) * 2017-01-19 2017-06-13 深圳市沃特玛电池有限公司 一种硅碳复合材料的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108206270A (zh) 2018-06-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108206270B (zh) 一种碳纳米片包覆纳米硅复合材料的原位制备方法
CN105826527B (zh) 一种多孔硅-碳复合材料及其制备方法和应用
CN102725888B (zh) 用于电化学电池电极的传导性石墨烯聚合物粘合剂
Wu et al. Carbon coated mesoporous Si anode prepared by a partial magnesiothermic reduction for lithium-ion batteries
CN103219168B (zh) 一种Li4Ti5O12/石墨烯复合电极材料及其制备方法
Yue et al. Facile synthesis of 3D silicon/carbon nanotube capsule composites as anodes for high-performance lithium-ion batteries
CN112054171A (zh) 一种碳硅负极材料及其制备方法
CN106207108A (zh) 基于高分子发泡微球的硅碳复合材料及其制备方法与应用
CN109065850A (zh) 一种三维石墨烯硅碳负极复合材料及其制备方法
CN107611365B (zh) 一种石墨烯和四氧化三铁双重包覆纳米硅复合材料及其制备方法与在锂离子电池中的应用
CN103943377A (zh) 多孔电极制备
Gao et al. An interconnected and scalable hollow Si-C nanospheres/graphite composite for high-performance lithium-ion batteries
Du et al. Interconnected sandwich structure carbon/Si-SiO2/carbon nanospheres composite as high performance anode material for lithium-ion batteries
CN104852028A (zh) 一种锂离子电池用钛酸锂/石墨烯复合负极材料
CN110611092B (zh) 一种纳米二氧化硅/多孔碳锂离子电池负极材料的制备方法
WO2023116943A1 (zh) 一种限域二氧化硅/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法和应用
CN105655589A (zh) 一种石墨烯复合材料及其制备方法
Qi et al. Facile synthesis of mesoporous ZnCo 2 O 4 nanosheet arrays grown on rGO as binder-free electrode for high-performance asymmetric supercapacitor
CN109411714B (zh) 一种高容量高稳定性硅碳负极材料及其制备方法
Xu et al. Hierarchical flower-like SnS grafted with glucosamine-derived nitrogen-doped carbon with enhanced reversible Li-storage performance
Da et al. Greatly recovered electrochemical performances of regenerated graphite anode enabled by an artificial PMMA solid electrolyte interphase layer
Xie et al. Nitrogen-doped carbon caging silicon nanoparticles for high performance lithium-ion battery anodes
Mao et al. N-Doped hollow carbon nanosheet supported SnO 2 nanoparticles
Zhang et al. Mild strategy for generating rich void space for nano-Si/C composites to accommodate the large volume expansion during alloying/dealloying for lithium-ion batteries
CN103531789A (zh) 一种铁氧化物-碳纳米管三元复合材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant