CN108565431B - 一种以魔芋粉为碳源制备锂离子电池硅-碳复合负极材料的方法 - Google Patents

一种以魔芋粉为碳源制备锂离子电池硅-碳复合负极材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以生物质材料魔芋粉为碳源制备锂离子电池硅‑碳复合负极材料的方法，属于能源新材料技术领域。该方法是：将魔芋粉在水中超声分散形成凝胶状物质，在磁力搅拌器上将硅粉加入到上述凝胶状物质中，搅拌2‑12h，经干燥后，将样品置于管式炉中在惰性气体氛围中于200‑400℃条件下保温1‑4h，然后升温至500‑900℃，保温1‑8h，冷却至室温，研磨均匀得到硅‑碳复合负极材料。本发明工艺简单，实验条件温和，制备出的硅‑碳复合负极材料具有较高的比容量，良好的循环性能，适合大规模生产。

Description

一种以魔芋粉为碳源制备锂离子电池硅-碳复合负极材料的 方法
技术领域
本发明涉及一种制备锂离子电池硅-碳复合负极材料的方法，，尤其是一种适用于能源新材料技术领域的以生物质材料魔芋粉为碳源制备锂离子电池硅-碳复合负极材料的方法。
背景技术
在众多的新兴能源中，锂离子电池由于其在功率、环保方面所具有的众多优点，脱颖而出，已被广泛应用在生活、生产及国防等各个领域中。但随着移动电子设备对便携性能和续航能力需求的进一步提升，以及无人机、电动汽车等动力设备和大容量储能电池的发展，传统的钴酸锂石墨体系的锂离子电池己逐渐无法满足现实要求，而迫切需要开发出更廉价、更安全、更高功率密度和能量密度的锂离子电池。
硅与商业化石墨相比有着极高的理论容量，拥有最高的嵌锂容量。此外，其电压平台比石墨高0.15V，安全性更高，因此，是目前最有希望代替商业化碳材料的负极材料。然而，硅和其他合金类负极材料一样，也面临着一个重要的挑战：在充放电的合金化与去合金化过程中，硅基主体会产生大于原体积400％的体积膨胀。这种体积相变会引起电极整体的粉化、断裂，从而使活性材料脱离集流体，最终导致容量的迅速衰减。
目前，常用的改善硅电化学性能的措施主要有两个，一是改善纳米化硅基材料的结构形貌。另一种将硅与在充放电过程中体积变化小并且具有一定力学性能的材料制成复合材料，利用两者之间好的界面结合分担硅活性材料在充放电过程中的体积变化而引起的应力，防止复合结构的坍塌，从而提高了循环寿命。碳材料作为负极材料虽然比容量小，但具有一定的电化学活性，结构也较稳定，且在充放电过程中体积变化相对较小，具有较好的循环稳定性能，碳与硅的化学性质相近，二者能紧密结合，因此硅和碳的复合可以达到改善硅的体积效应、提高其电化学稳定性的目的。综合导电性、容量、改善效果及成本来看，硅-碳复合物是目前最有前景的改善策略。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种方法简单、原料廉价的锂离子电池硅-碳复合负极材料的制备方法。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的以魔芋粉为碳源制备锂离子电池硅-碳复合负极材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.5g纳米硅粉分散到乙醇和水的混合溶液中，超声分散得到悬浊液；
步骤2：将0.5-20g魔芋粉分散到10-500ml去离子水中，充分搅拌，得到凝胶状物质；
步骤3：将步骤1所得到的悬浊液缓慢加入到步骤2中所得到的凝胶状物质中，在磁力搅拌器上搅拌2-12h，制得样品；
步骤4：将步骤3所得样品干燥、研磨均匀得到棕黑色粉末；
步骤5：将步骤4所得棕黑色粉末在惰性气体氛围中于200-400℃条件下保温1-4h，然后升温至500-900℃，保温1-8h，得到应用于锂离子电池的硅-碳复合负极材料。
所述步骤1中的纳米硅粉的粒径为50-500nm。
所述步骤1中的乙醇和水的混合溶液体积比为2:1-1:5。
所述步骤4中的样品干燥的方法为干燥箱干燥或冷冻干燥。
所述步骤5中的惰性气体为氮气、氩气或氩氢混合气。
有益效果：由于采用了上述技术效果，本发明的硅-碳复合材料能应用于锂离子电池负极。与现有技术相比，具有如下特点和显著的优势：
(1)本发明具备制备条件简单，实验条件温和、成本低廉等优点，特别是魔芋粉属于生
物质碳源可再生；
(2)本发明制备出的硅-碳复合负极材料经电化学测试具备较高的比容量及较好的循环性能，具备工业生产的潜力。
附图说明：
图1为本发明实施例1制得的硅-碳复合负极材料的X-射线粉末衍射花样图。
图2为本发明实施例1制得的硅-碳复合负极材料的扫描电子显微镜照片。
图3为本发明实施例1制得的硅-碳复合负极材料的充放电循环图。
具体实施方式
本发明的以魔芋粉为碳源制备锂离子电池硅-碳复合负极材料的方法，包括以下步骤：
步骤1：将0.5g纳米硅粉分散到体积比为2:1-1:5的乙醇和水的混合溶液中，超声分散得到悬浊液；所述的纳米硅粉的粒径为50-500nm。
步骤2：将0.5-20g魔芋粉分散到10-500ml去离子水中，充分搅拌，得到凝胶状物质；
步骤3：将步骤1所得到的悬浊液缓慢加入到步骤2中所得到的凝胶状物质中，在磁力搅拌器上搅拌2-12h，制得样品；
步骤4：将步骤3所得样品干燥、研磨均匀得到棕黑色粉末；所述的样品干燥的方法为干燥箱干燥或冷冻干燥。
步骤5：将步骤4所得棕黑色粉末在惰性气体氛围中于200-400℃条件下保温1-4h，然后升温至500-900℃，保温1-8h，得到应用于锂离子电池的硅-碳复合负极材料。所述的惰性气体为氮气、氩气或氩氢混合气。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
实施例1：一种以魔芋粉为碳源的锂离子电池硅-碳复合负极材料的制备及表征：
将0.5g生物材料魔芋粉分散到100ml去离子水中，充分搅拌，得到凝胶状物质。将0.5g颗粒大小为200纳米的硅粉分散到乙醇和水比例(体积比)为2:1的混合溶液中，超声分散得到悬浊液，将所得到的悬浊液缓慢加入到上述凝胶状物质中，在磁力搅拌器上搅拌6h；将所得的样品置于干燥箱中在100℃条件下干燥8h，研磨均匀得到棕黑色粉末；将棕黑色粉末在惰性气体氛围中于400℃条件下保温3h，然后升温至800℃，保温6h，得到硅-碳复合负极材料，将其应用于锂离子电池。
将实施例1所得到的材料进行XRD图谱测试，测试结果如图1所示，图谱上各特征衍射峰明显，可以看到图谱中明显呈现了石墨和硅的衍射峰叠加。
采用JSF-6700扫描电镜可以清晰的看到材料颗粒均匀，纳米硅和碳形成了较好的复合，如图2所示。
电化学性能测试：
称取硅-碳复合负极材料、炭黑和聚偏氟乙烯，其质量比为7:2:1，将聚偏氟乙烯加入到N-甲基吡咯烷酮溶液中，磁力搅拌6h，使其充分溶解，配成溶液.将硅-碳复合负极材料、炭黑和聚偏氟乙烯混合球磨4h，所得浆料均匀的涂布在铜箔上，涂布后的电极片置于真空干燥箱中在50℃下干燥12h后，切制得电极片，用粉末压片机进行压制，将材料置于真空烘箱中在120℃下干燥12h，最后移入手套箱中组装成纽扣电池进行恒流充放电容量和循环性能测试,其电化学性能如图3所示，在420mA g-1(0.1c)的电流密度下，其首次放电比容量为1247mAh g-1，首次库伦效率为65.3％。循环100周后容量仍有738mAh g-1，显示出了较好的循环稳定性。
实施例2：一种以魔芋粉为碳源的锂离子电池硅-碳复合负极材料的制备及表征
将0.5g生物材料魔芋粉分散到100ml去离子水中，充分搅拌，得到凝胶状物质。将0.5g颗粒大小为500纳米的硅粉分散到乙醇和水比例(体积比)为2:1的混合溶液中，超声分散得到悬浊液，将所得到的悬浊液缓慢加入到上述凝胶状物质中,在磁力搅拌器上搅拌6h；将所得的样品置于冷冻干燥箱中干燥8h，研磨均匀得到棕黑色粉末；将棕黑色粉末在惰性气体氛围中于400℃条件下保温3h，然后升温至900℃，保温6h，得到硅-碳复合负极材料，将其应用于锂离子电池。
实施例3：一种以魔芋粉为碳源的锂离子电池硅-碳复合负极材料的制备及表征
将1g魔芋粉分散到100ml去离子水中，充分搅拌，得到凝胶状物质。将0.5g颗粒大小为100纳米的硅粉分散到乙醇和水比例(体积比)为1:3的混合溶液中，超声分散得到悬浊液，将所得到的悬浊液缓慢加入到所得到的凝胶状物质中,在磁力搅拌器上搅拌6h；将所得的样品置于干燥箱中在100℃条件下干燥8h，研磨均匀得到棕黑色粉末；将棕黑色粉末在惰性气体氛围中于400℃条件下保温3h，然后升温至700℃，保温6h，得到硅-碳复合负极材料，将其应用于锂离子电池。

Claims (1)

1.一种以魔芋粉为碳源制备锂离子电池硅-碳复合负极材料的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：将0.5g纳米硅粉分散到体积比为2:1-1:5乙醇和水的混合溶液中，超声分散得到悬浊液；所述的纳米硅粉的粒径为50-500nm；
步骤2：将0.5-20g魔芋粉分散到10-500ml去离子水中，充分搅拌，得到凝胶状物质；
步骤3：将步骤1所得到的悬浊液缓慢加入到步骤2中所得到的凝胶状物质中，在磁力搅拌器上搅拌2-12h，制得样品；
步骤4：将步骤3所得样品干燥、研磨均匀得到棕黑色粉末；所述的样品干燥的方法为干燥箱干燥或冷冻干燥；
步骤5：将步骤4所得棕黑色粉末在惰性气体氛围中于200-400℃条件下保温1-4h，然后升温至500-900℃，保温1-8h，得到应用于锂离子电池的硅-碳复合负极材料，所述的惰性气体为氮气、氩气或氩氢混合气。
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