CN108269989A - 一种碳包覆微米硅、其制备方法和应用 - Google Patents

一种碳包覆微米硅、其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种属于无机材料制备技术领域，更具体地，涉及一种碳包覆微米硅、其制备方法和应用。通过将硅化镁在含有二氧化碳的气氛中与二氧化碳发生反应或者硅化镁分解后与二氧化碳发生反应，然后通过酸洗得到碳包覆的微米硅材料，制备方法简单易行，可用于大规模碳包覆微米硅的生产，由此解决现有技术碳包覆微米硅材料制备工艺复杂、安全性差，不利于大规模生产应用的技术问题。

Description

一种碳包覆微米硅、其制备方法和应用
技术领域
本发明属于无机材料制备技术领域，更具体地，涉及一种碳包覆微米硅、其制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着新能源技术的发展，电子设备向着智能化轻便化方向发展，对电池技术的要求越来越高，电池的容量要高，电化学性能要稳定。因此高比能锂离子电池行业应运而生。而锂离子电池所用的负极材料是决定其性能的关键因素之一。目前，锂离子电池负极材料主要是碳材料和非碳材料，在非碳类负极材料中，硅材料由于其具有高的理论储锂容量(4200mA h/g),是商业上石墨负极理论容量的11倍，且Si的电压平台略高于石墨，在充电时不易引起表面析锂的现象，安全性能高。但是硅作为半导体材料，在锂离子电池中面临的是导电性差差的问题，并且硅材料在充放电过程中发生脱嵌锂时会伴随着严重的体积膨胀(体积变化率在300％-400％之间)。这些严重影响电池的库伦效率和循环稳定，阻碍了其商业化的发展。
解决硅材料在锂离子电池中所面临的问题，一般采用复合的方法。目前市场或者文献中主要报道的硅碳负极为纳米硅与石墨的简单混合，或者纳米硅附着在石墨表面后，再进行一定的后续处理。但这仍然避免不了由电极材料膨胀导致电极整体的膨胀，从而带来安全事故。例如：CN103474667A公开了一种硅碳复合材料复合材料及其制备方法，采用纳米硅加石墨进行混合，然后CVD包覆一层碳，再液相包覆一层碳，最后粉碎得到最终的产物，虽然该方法得到的材料具有不错的循环性能和倍率性能，但是制备工艺复杂，成本高，不适合工业化生产。又如专利“一种低膨胀率多孔硅/石墨复合电极材料及其制备方法”(CN106784743A)，使用了去合金化的方法得到多孔硅，然后再进行碳包覆或直接与商业化石墨负极混合得到最终多孔硅/石墨复合材料，但采用的去合金化是用的化学腐蚀的方法，而且碳包覆过程增加了制备工艺，限制了其工业应用。又如专利“一种复合碳包覆的多孔硅负极材料及其制备方法”(CN106935834A)采用以去合金化的多孔硅为基础，通过石墨烯与高密度碳结合或者低密度碳与高密度碳结合的复合碳层包覆，达到双层碳包覆，最终得到的产物具有良好的循环性能，但是该方法得到的硅碳复合材料需要进行两次包碳过程，制备程序繁琐，且去合金化采用的是化学腐蚀的方法，不利于工业化生产；文献“Facilesynthesis of Si nanoparticles using magnesium silicide reductionand itscarbon composite as a high-performance anode for Li ion batteries”报道了由商业的SiO2与Mg2Si反应得到多孔硅,然后与PVA混合，碳化后反应得到碳包覆多孔硅的硅碳复合材料，得到的硅碳复合材料具有良好的循环性能，但洗涤反应产物的时候要用到HCl和HF,腐蚀性大，不利于工业化生产。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种碳包覆的多孔微米硅、其制备方法和应用，其目的在于通过将硅化镁在含有二氧化碳的气氛中与二氧化碳发生氧化还原反应或者硅化镁分解后与二氧化碳发生反应，然后通过酸洗得到碳包覆的微米硅材料，制备方法简单易行，可用于大规模碳包覆微米硅的生产，由此解决现有技术碳包覆微米硅材料制备工艺复杂、安全性差，不利于大规模生产应用的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种碳包覆微米硅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以硅化镁为原料，在含有二氧化碳的气氛中于400～800℃发生反应2～24小时，得到含有氧化镁和碳包覆的硅的粗产物；所述含有二氧化碳的气氛为二氧化碳气氛或二氧化碳与惰性气体的混合气氛；
(2)将步骤(1)所述粗产物进行酸洗处理，以除去氧化镁和残余的硅化镁原料，得到碳包覆的三维贯通多孔微米硅。
优选地，步骤(1)所述硅化镁的粒径为0.2～10微米。
优选地，步骤(1)所述硅化镁原料按照如下方法获得：将商业硅颗粒与镁粉按照质量比1:1.5～2混合，在惰性气体保护下于400～700℃，反应4～12小时，得到的产物冷却后进行球磨得到所述硅化镁原料。
优选地，步骤(1)所述含有二氧化碳的气氛中气体的流速为30ml/min～100ml/min，所述气氛中二氧化碳的体积浓度不低于10％。
优选地，步骤(1)所述硅化镁原料置于相向放置的U型套管中，以增加二氧化碳的停留时间。
优选地，所述U型套管为两个，且所述U性套管的开口端向内，闭口端向外。
按照本发明的另一个方面，提供了一种碳包覆多孔微米硅，按照所述制备方法制备得到。
优选地，所述碳包覆多孔微米硅，其为碳包覆的多孔微米硅，所述微米硅的尺寸为1～3微米，所述碳层的厚度为10nm～30nm，所述碳包覆多孔微米硅的比表面积为20～100m2/g。
优选地，所述的碳包覆多孔微米硅，碳含量为10wt％～20wt％，余量为硅。
按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的碳包覆多孔微米硅的应用，用于制备锂离子电池负极材料。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供了一种碳包覆微米硅的制备方法，其通过将硅化镁在含有二氧化碳的气氛中与二氧化碳发生氧化还原反应或者硅化镁分解后与二氧化碳发生反应，然后通过酸洗得到碳包覆的微米硅材料，制备方法简单易行，可用于大规模碳包覆微米硅的生产。
(2)本发明在碳包覆微米硅的制备过程中通过控制二氧化碳的流速、浓度、反应温度等条件，同时配合反应装置的改进，延长二氧化碳的停留时间，促进二氧化碳与反应原料的接触，大大增加了碳包覆微米硅材料的产率。
(3)本发明在碳包覆微米硅的制备过程所用气氛为温室气体二氧化碳，能实现CO2高效、高价值利用，成本低，能实现节能减排。
(4)本发明制备的硅碳材料是三维贯通多孔微米，结构既有利于电极材料与电解液的接触，也缓解了电极材料向外膨胀，提高了锂离子电池的稳定性，另外形成的碳包覆结构也大大的提高了电极材料的导电性，更有利于电子的传导。
附图说明
图1为实施例1反应装置模型图；
图2为实施例1硅化镁在700℃与CO2反应产物的XRD图；
图3为实施例1制备得到碳包覆三维贯通多孔微米硅的扫描电镜图；
图4为实施例1制备得到碳包覆三维贯通多孔微米硅的透射电镜图；
图5为实施例1制备得到碳包覆三维贯通多孔微米硅的循环性能图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种碳包覆微米硅的制备方法，包括如下步骤：
(1)以硅化镁为原料，在含有二氧化碳的气氛中于400～800℃发生反应2～24小时，得到含有氧化镁和碳包覆的硅的粗产物；含有二氧化碳的气氛为二氧化碳气氛或二氧化碳与惰性气体的混合气氛。以硅化镁为原料，在含有二氧化碳的气氛中发生的反应可以为硅化镁与二氧化碳的氧化还原反应Mg2Si+CO2→Si+2MgO+C；当温度升高至750℃以上时，还可能发生硅化镁的分解反应，生成镁蒸气和硅单质，而镁蒸气与二氧化碳可能进一步反应生成氧化镁和碳，由于发生的均为原位反应，反应生成的硅的表面均包覆了一层碳层。硅化镁的优选粒径范围为0.2～10微米。
本发明碳包覆微米硅的制备过程中存在的难点之一是需要控制通入CO2的速率，通入CO2速率过快会导致多余的CO2与原位生成的C反应，造成原位C的消耗，同时产生有毒的CO；本发明含有二氧化碳的气氛中合适的气体的流速为30ml/min～100ml/min，气氛中二氧化碳的体积浓度不能低于10％。
本发明碳包覆微米硅的制备可以在管式炉中进行，但是如何让Mg2Si与CO2充分接触，使它们反应更完全，以增加反应的转化率和产率，本发明对反应装置进行改进，硅化镁原料置于对立相向放置的U型套管中，以增加二氧化碳的停留时间，提高硅化镁和二氧化碳的接触机会，U型套管可以为两个或多个，且U性套管的开口端向内，闭口端向外。
本发明反应温度的选择也很关键，温度过低，反应不充分；温度过高，则会有杂相(主要是SiC)产生，影响产物的纯度，合适的温度范围为400～800℃。
(2)将步骤(1)所述粗产物进行酸洗处理，以除去氧化镁和残余的硅化镁原料，得到碳包覆的三维贯通多孔微米硅。
本发明通过对硅碳关键制备方法的整体工艺流程、以及各个反应步骤的参数条件等进行改进，与现有技术相比，具有制备方法简单易行的突出优点，只需要将硅化镁在CO2(或者CO2与惰性气体的混合气体)中直接加热便可得到大量碳包覆三维贯通多孔微米硅，产率高达70％以上。
按照上述方法制备得到的一种碳包覆多孔微米硅，其为碳包覆的多孔微米硅，所述微米硅的尺寸为1～3微米，所述碳层的厚度为10nm～30nm，所述碳包覆多孔微米硅的比表面积为20～100m2/g。碳含量为10～20wt％，余量为硅。该碳包覆多孔微米硅可用作锂离子电池负极材料，实验证明，将本发明制备得到的碳包覆多孔微米硅用作锂离子电池负极材料，其碳包覆结构既有利于电极材料与电解液的接触，也缓解了电极材料向外膨胀，提高了锂离子电池的稳定性，另外形成的碳包覆结构也大大的提高了电极材料的导电性，更有利于电子的传导，用作电池材料表现出优异的性能。
以下为实施例：
实施例1
(1)将商业硅颗粒与镁粉按质量比1：1.8混合均匀放入容器中；
(2)将装有反应物的容器放入充满惰性气体的高温炉中以5℃/min的升温速度加热到700℃，保温时间为6h得到产物硅化镁，待产物随炉冷却至室温后取出；
(3)将(2)中所得产物放入氩气保护的球磨罐中进行球磨，然后进行筛选，获得不同尺寸的硅化镁微米颗粒，颗粒大小为0.2-10微米。
(4)将(3)中球磨好的硅化镁2g放在管式炉中，具体装置如图1所示，图1为管式炉装置模型图，装样的坩埚由两个U型不锈钢套住，增加样品与CO2的反应，使反应更彻底。在二氧化碳气氛中加热到700℃反应温度，保温3h，二氧化碳的流速为50ml/min，待产物随炉冷却至室温后取出；
(5)将(4)中所得产物用盐酸酸洗除去氧化镁和未反应完的硅化镁后，清洗、过滤、干燥后得到碳包覆三维贯通多孔微米硅。
由图2中反应后样品XRD衍射图谱可知，在28.4°、47.3°和56.1°的三强峰与硅(JCPDS No.27-1402)的三强峰相对应，杂相为未反应完的Mg2Si和生成的MgO，极易除掉。
由图3(包括图3A、图3B)的扫描电镜图及图4(包括图4A、图4B)透射电镜图可知，本实施例制备得到的最终产物为碳包覆三维贯通多孔微米硅结构。由此可知，所得产物为具有纳米级别孔洞结构(酸洗刻蚀掉MgO后形成的)的微米颗粒并且是一步制备得到硅碳产物。本实施例制备得到碳包覆微米硅产率为70.1％，微米硅的尺寸为1～3微米，碳层的厚度为20nm，比表面积为31.2m2/g，碳含量为14wt％，余量为硅。
图5为碳包覆三维贯通多孔硅的循环性能，循环400次后碳包覆三维贯通多孔微米硅的容量可达1000mA h/g，首次库伦效率为79％，表现出突出的循环稳定性。
实施例2
(1)将商业硅颗粒与镁粉按质量比1：1.5混合均匀放入容器中；
(2)将装有反应物的容器放入充满惰性气体的高温炉中以5℃/min的升温速度加热到400℃，保温时间为12h得到产物硅化镁，待产物随炉冷却至室温后取出；
(3)将(2)中所得产物放入氩气保护的球磨罐中进行球磨，然后进行筛选，获得不同尺寸的硅化镁微米颗粒，颗粒大小为1-8微米。
(4)将(3)中球磨好的硅化镁2g放在管式炉中，具体装置如图1所示，图1为管式炉装置模型图，装样的坩埚由两个U型不锈钢套住，增加样品与CO2的反应，使反应更彻底。在二氧化碳气氛中加热到750℃反应温度，保温3h，二氧化碳的流速为30ml/min，待产物随炉冷却至室温后取出；
(5)将(4)中所得产物用盐酸酸洗除去氧化镁后，清洗、过滤、干燥后得到碳包覆三维贯通多孔微米硅。
所得产物为具有纳米级别孔洞结构的微米颗粒并且是一步制备得到硅碳产物。本实施例制备得到碳包覆微米硅产率为71.6％，微米硅的尺寸为3～4微米，碳层的厚度为15nm，比表面积为28.6m2/g，碳含量为12wt％，余量为硅。
实施例3
(1)将商业硅颗粒与镁粉按质量比1：2混合均匀放入容器中；
(2)将装有反应物的容器放入充满惰性气体的高温炉中以5℃/min的升温速度加热到600℃，保温时间为4h得到产物硅化镁，待产物随炉冷却至室温后取出；
(3)将(2)中所得产物放入氩气保护的球磨罐中进行球磨，然后进行筛选，获得不同尺寸的硅化镁微米颗粒，颗粒大小为0.5-4微米。
(4)将(3)中球磨好的硅化镁2g放在管式炉中，具体装置如图1所示，图1为管式炉装置模型图，装样的坩埚由两个U型不锈钢套住，增加样品与CO2的反应，使反应更彻底。在二氧化碳气氛中者加热到800℃反应温度，保温3h，二氧化碳的流速为100ml/min，待产物随炉冷却至室温后取出；
(5)将(4)中所得产物用盐酸酸洗除去氧化镁后，清洗、过滤、干燥后得到碳包覆三维贯通多孔微米硅。
所得最终产物为具有纳米级别孔洞结构的微米颗粒并且是一步制备得到硅碳产物。本实施例制备得到碳包覆微米硅产率为73.3％，微米硅的尺寸为1～3微米，碳层的厚度为12nm，比表面积为24m2/g，碳含量为10wt％，余量为硅。
实施例4
(1)将商业硅颗粒与镁粉按质量比1：1.8混合均匀放入容器中；
(2)将装有反应物的容器放入充满惰性气体的高温炉中以5℃/min的升温速度加热到700℃，保温时间为6h得到产物硅化镁，待产物随炉冷却至室温后取出；
(3)将(2)中所得产物放入氩气保护的球磨罐中进行球磨，然后进行筛选，获得不同尺寸的硅化镁微米颗粒，颗粒大小为0.2-10微米。
(4)将(3)中球磨好的硅化镁2g放在管式炉中，具体装置如图1所示，图1为管式炉装置模型图，装样的坩埚由两个U型不锈钢套住，增加样品与CO2的反应，使反应更彻底。在二氧化碳和氩气的混合气氛中加热到700℃反应温度，保温3h，其中二氧化碳的气体流速为20ml/min，氩气的气体流速为30ml/min，待产物随炉冷却至室温后取出；
(5)将(4)中所得产物用盐酸酸洗除去氧化镁和未反应完的硅化镁后，清洗、过滤、干燥后得到碳包覆三维贯通多孔微米硅。
所得最终产物为具有纳米级别孔洞结构的微米颗粒并且是一步制备得到硅碳产物。本实施例制备得到碳包覆微米硅产率为74.9％，微米硅的尺寸为1～3微米，碳层的厚度为10nm，比表面积为20m2/g，碳含量为8wt％，余量为硅。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳包覆微米硅的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)以硅化镁为原料，在含有二氧化碳的气氛中于400～800℃发生反应2～24小时，得到含有氧化镁和碳包覆的硅的粗产物；所述含有二氧化碳的气氛为二氧化碳气氛或二氧化碳与惰性气体的混合气氛；
(2)将步骤(1)所述粗产物进行酸洗处理，以除去氧化镁和残余的硅化镁原料，得到碳包覆的三维贯通多孔微米硅。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述硅化镁的粒径为0.2～10微米。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述硅化镁原料按照如下方法获得：将商业硅颗粒与镁粉按照质量比1:1.5～2混合，在惰性气体保护下于400～700℃，反应4～12小时，得到的产物冷却后进行球磨得到所述硅化镁原料。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述含有二氧化碳的气氛中气体的流速为30ml/min～100ml/min，所述气氛中二氧化碳的体积浓度不低于10％。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述硅化镁原料置于相向放置的U型套管中，以增加二氧化碳的停留时间。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述U型套管为两个，且所述U性套管的开口端向内，闭口端向外。
7.一种碳包覆多孔微米硅，其特征在于，按照如权利要求1～6任意一项所述制备方法制备得到。
8.如权利要求7所述的碳包覆多孔微米硅，其特征在于，其为碳包覆的多孔微米硅，所述微米硅的尺寸为1～3微米，所述碳层的厚度为10nm～30nm，所述碳包覆多孔微米硅的比表面积为20～100m2/g。
9.如权利要求7所述的碳包覆多孔微米硅，其特征在于，碳含量为10wt％～20wt％，余量为硅。
10.一种如权利要求7～9任意一项所述的碳包覆多孔微米硅的应用，其特征在于，用于制备锂离子电池负极材料。
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Application publication date: 20180710

Assignee: Hubei Benxing Carbon Material Co.,Ltd.

Assignor: WUHAN University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022420000139

Denomination of invention: Carbon coated micro silicon, its preparation method and application

Granted publication date: 20200428

License type: Exclusive License

Record date: 20221206