CN111200118A - 一种石墨烯包覆介孔硅微球负极材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯包覆介孔硅微球负极材料的制备方法，将表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球和还原性金属混合，然后在保护气氛中、600～800℃下反应4～12小时，再经酸洗后，得到所述石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。

Description

一种石墨烯包覆介孔硅微球负极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种石墨烯包覆介孔硅微球负极材料的制备方法，属于材料制备领域。
背景技术
目前，商业化的石墨负极，由于其理论容量低，无法满足高性能电池***的需求。因此，为了满足可再生能源的储存和EV应用的需求，下一代锂离子不断往高能量密度以及高功率电池发展。
Si因其最高理论存储容量(4200mAhg-1)和稳定的电化学电势，已经越来越受到关注。然而，由于Si在Li+***/脱出过程中伴随着巨大的体积变化(＞300％)，而导致对电极的损伤和其颗粒的机械完整性的粉粹，从而在其循环过程中会有快速的容量损失。因此，越来越多的科研工作者通过改变Si的体积，或者探索Si-C复合物，以此来减小Si的体积变化和增加其导电性。这些尝试都对Si的循环性能和倍率性能有所提升。
近年来，硅基负极材料(特别是粒径不超过100nm)的多孔材料，因为其强大的聚集倾向和较困难的Li+传输性能而受到越来越多的关注。一般来说，多孔结构可以提供充分的内部自由空间来有效地吸收体积的膨胀，从而提高循环稳定性。此外，多孔材料的开放结构有利于Li+的快速传输以及拥有高倍率性能。Cho等人(Nano Letters.2008,8(11):3688-3691.)，合成三维(3D)SiO2作为模板，得到了可逆容量为2800mAh g-1循环性能优异的多孔硅材料，其在3C下，充放电循环100次后，容量保持率达到72％。然而复杂的制备工艺和高成本会阻碍其大规模生产。最近，有文献[Advanced Energy Materials.2011,1(6):1036-1039.]报道采用化学气相沉积两步法制备内部孔隙率高的硅纳米颗粒，得到了容量约1500mAh g-1。但是，这些最先进的技术仍然不能满足工业应用，材料粒径和形貌难以控制，无法得到综合性能强的材料。
众所周知，介孔Si材料可以通过CVD法均匀的在其表面包裹一层碳。然而对于石墨烯，在没有催化的情况下，需要高温生长条件(＞1200℃)，但高温会破坏介孔Si材料形貌及内部介孔结构。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种石墨烯包覆介孔硅微球负极材料的制备方法，其特征在于，将表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球和还原性金属混合，然后在保护气氛中、600～800℃下反应4～12小时，再经酸洗后，得到所述石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。
本发明选用表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球和还原性金属(例如，金属铝、碱金属、和碱土金属中至少一种)混合后，在保护气氛中、600～800℃下反应4～12小时，在此反应过程中，二氧化硅和还原性金属反应生成硅和还原性金属的氧化物，且由于石墨烯包覆层的存在使得二者均匀混合仍为球形形貌。再经酸洗之后，去除反应产物中还原性金属氧化物和剩余还原性金属，中间微球仅剩下Si材料且具有多孔结构，最终形成了石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。
较佳地，所述还原性金属为金属铝、碱金属、和碱土金属中至少一种，优选镁、铝、锂、钠、钾的至少一种。
较佳地，采用等离子体辅助化学气相沉积法制备所述表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球。
又，较佳地，所述等离子体辅助化学气相沉积法包括：将二氧化硅微球置于等离子体化学气相沉积设备中并抽至真空，然后升温至400～800℃后打开射频电源，电源功率调整为100～300W，通入碳源气体和辅助气体，反应20～60分钟，得到所述表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球；优选地，所述真空的压为0.1～100Pa；优选地，所述真空的真空度为0.1～100Pa。
又，较佳地，所述碳源气体选自甲烷、乙烯和二氟甲烷中的至少一种，所述辅助气体为氢气和/或氩气；优选地，所述碳源气体的流量为5～20sccm，所述辅助气体的流量为1～10sccm。
较佳地，所述表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球中二氧化硅微球的粒径为50nm～1μm，优选为100nm～500nm。
较佳地，所述保护气氛为氩气、氮气、氦气、氢气中的至少一种。
较佳地，所述酸洗所用酸溶液为盐酸、硝酸或硫酸。
另一方面，本发明还提供了一种根据上述的制备方法制备的石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。较佳地，所述墨烯包覆介孔硅微球负极材料粒径为100nm～1μm，优选为300～500nm。
本发明利用等离子体增强化学气相沉积的方法，在较低温度条件下，在球形氧化硅(二氧化硅微球)表面生长一层石墨烯包覆层；再利用石墨烯包覆层保护内部氧化硅微球的形貌结构在后续还原过程中不被破坏；最后利用酸洗去除氧化镁得到内部具有介孔结构硅微球。
附图说明
图1为实施例1中所制备的石墨烯包覆的介孔硅微球的电镜照片；
图2为实施例1中所制备的石墨烯包覆的介孔硅微球的电镜照片；
图3为实施例1制备的石墨烯包覆的硅负极材料在0.1C倍率下充放电曲线。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明中，石墨烯包覆介孔硅微球负极材料的结构包括介孔硅微球以及包覆在介孔硅微球表面的石墨烯。本发明制备方法简单，易于大规模应用。以下示例性地说明本发明提供的石墨烯包覆介孔硅微球负极材料的制备方法。
二氧化硅微球的制备。其中，二氧化硅微球颗粒的尺寸大小可为50～500nm。本发明中，二氧化硅微球可购自商用或自行制备。相应制备方法可包括：将正硅酸乙酯、乙醇、氨水、水按照一定比例加入到反应容器中反应0.5～2h后，离心清洗，然后收集白色固体颗粒，干燥即可得到了二氧化硅微球。其中，正硅酸乙酯、水、乙醇、氨水按体积比可按照8:56:(50-150):(4-24)配置。在可选的实施方式中，二氧化硅微球粒径可为50nm～500nm。
表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球的制备。所述方法包括但不仅限于采用等离子体辅助化学气相沉积法等。
等离子体辅助化学气相沉积法可包括：将二氧化硅微球置于等离子体化学气相沉积设备中并抽至真空，然后升温至400～800℃后打开射频电源，电源功率调整为100～300W，通入碳源气体和辅助气体，反应20～60分钟，得到所述表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球。其中，真空的压为0.1～100Pa。碳源气体选自甲烷、乙烯、二氟甲烷和乙炔中的至少一种。辅助气体可为氢气和/或氩气。碳源气体的流量可为5～20sccm。辅助气体的流量可为1～10sccm。
将表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球和还原性金属混合，然后在保护气氛中、600～800℃下反应4～12小时，再经酸洗后，得到石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。其中，还原性金属为铝、碱金属、碱土金属等，例如可为镁、铝、锂、钠等。保护气氛可为氩气、氮气、氦气中的至少一种。所述酸洗所用酸溶液为盐酸、硝酸或硫酸。
在本发明一实施方式中，利用等离体子增强化学气相沉积方法，首先在氧化硅微球表面直接生长石墨烯包覆层，随后通过镁热还原、酸洗去除氧化镁，得到石墨烯包覆的介孔硅微球。具体来说，通过等离子体增强化学气相沉积法，在较低的温度(400-800℃)，在二氧化硅微球表面原位生长石墨烯，采取先进行石墨烯包覆二氧化硅微球(球形氧化硅)，再进行镁热还原的工艺，有效地避免镁热还原反应对球形颗粒形貌的破坏，制备得到石墨烯包覆的介孔硅微球负极材料。
作为一个石墨烯包覆介孔硅微球负极材料的制备方法的详细示例，包括如下步骤：首先将球形氧化硅原料置于陶瓷舟并放于管式炉中，抽真空。随后管式炉以2-10℃/min升温速率升温，至预定反应温度400-800℃后，通入CH4(5-20sccm)与H2(1-10sccm)混合气体，打开RF电源，电源功率调整为100-300W，生长20-60min，在球形氧化硅表面生成石墨烯包覆层。将镁粉与石墨烯包覆的氧化硅颗粒混合后，在氩气保护下，在600-800℃反应4-12h。将反应后的材料置于盐酸溶液中浸泡1-24h，除去材料中氧化镁，过滤、清洗烘干后得到石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。碳源可以是甲烷，乙烯或二氟甲烷。还原金属可为镁。采用的酸性溶液可以是盐酸、硝酸等强酸溶液。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
首先将球形氧化硅原料(二氧化硅微球的制备：将正硅酸乙酯、乙醇、氨水、水按照一定比例加入到反应容器中，其中正硅酸乙酯、水、乙醇、氨水按体积比可按照8:56:100:10配置，反应0.5后，将沉淀离心清洗，然后收集白色固体颗粒，然后在把样品放入到60℃的烘箱中干燥6h，即可得到200-500nm大小的纳米球粉末)置于陶瓷舟并放于管式炉中，抽真空。随后管式炉以6℃/min升温速率升温，至预定反应温度800℃后，通入CH4(20sccm)与H2(10sccm)混合气体，打开RF电源，电源功率调整为300W，生长60min，在球形氧化硅表面生成石墨烯包覆层。将镁粉与石墨烯包覆的氧化硅颗粒混合，在氩气保护下，在650℃反应12h。将反应后的材料置于盐酸溶液中浸泡24h，除去材料中氧化镁，过滤、清洗烘干后得到石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。图1和2为实施例1所制备材料形貌电镜照片，反应后得到材料由纳米颗粒构成的介孔微球，直径在200-500纳米，且微球表面包覆生长了一层石墨烯材料充放电测试表明，容量达到22000mAh/g以上，如图3所示。
实施例2
首先将球形氧化硅原料(200-500nm)置于陶瓷舟并放于管式炉中，抽真空。随后管式炉以6℃/min升温速率升温，至预定反应温度600℃后，通入CH4(8sccm)与H2(2sccm)混合气体，打开RF电源，电源功率调整为200W，生长60min，在球形氧化硅表面生成石墨烯包覆层。将镁粉与石墨烯包覆的氧化硅颗粒混合，在氩气保护下，在800℃反应6h。将反应后的材料置于盐酸溶液中浸泡24h，除去材料中氧化镁，过滤、清洗烘干后得到石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。
实施例3
首先将球形氧化硅原料(粒径为200-500nm)置于陶瓷舟并放于管式炉中，抽真空。随后管式炉以2℃/min升温速率升温，至预定反应温度400℃后，通入CH4(5sccm)与H2(1sccm)混合气体，打开RF电源，电源功率调整为100W，生长60min，在球形氧化硅表面生成石墨烯包覆层。将镁粉与石墨烯包覆的氧化硅颗粒混合，在氩气保护下，在600℃反应20h。将反应后的材料置于盐酸溶液中浸泡1h，除去材料中氧化镁，过滤、清洗烘干后得到石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。
实施例4
首先将球形氧化硅原料(粒径为200-500nm)置于陶瓷舟并放于管式炉中，抽真空。随后管式炉以10℃/min升温速率升温，至预定反应温度700℃后，通入CH4(10sccm)与H2(1sccm)混合气体，打开RF电源，电源功率调整为200W，生长30min，在球形氧化硅表面生成石墨烯包覆层。将镁粉与石墨烯包覆的氧化硅颗粒混合，在氩气保护下，在650℃反应10h。将反应后的材料置于盐酸溶液中浸泡24h，除去材料中氧化镁，过滤、清洗烘干后得到石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。
实施例5
首先将球形氧化硅原料(粒径为200-500nm)置于陶瓷舟并放于管式炉中，抽真空。随后管式炉以6℃/min升温速率升温，至预定反应温度650℃后，通入CH4(20sccm)与H2(1sccm)混合气体，打开RF电源，电源功率调整为200W，生长60min，在球形氧化硅表面生成石墨烯包覆层。将镁粉与石墨烯包覆的氧化硅颗粒混合，在氩气保护下，在650℃反应6h。将反应后的材料置于盐酸溶液中浸泡20h，除去材料中氧化镁，过滤、清洗烘干后得到石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。
实施例6
首先将球形氧化硅原料(粒径为200-500nm)置于陶瓷舟并放于管式炉中，抽真空。随后管式炉以6℃/min升温速率升温，至预定反应温度800℃后，通入CH4(15sccm)与H2(5sccm)混合气体，打开RF电源，电源功率调整为200W，生长20min，在球形氧化硅表面生成石墨烯包覆层。将镁粉与石墨烯包覆的氧化硅颗粒混合，在氩气保护下，在650℃反应1h。将反应后的材料置于盐酸溶液中浸泡1h，除去材料中氧化镁，过滤、清洗烘干后得到石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。
实施例7
首先将球形氧化硅原料(粒径为200-500nm)置于陶瓷舟并放于管式炉中，抽真空。随后管式炉以6℃/min升温速率升温，至预定反应温度800℃后，通入CH4(20sccm)与H2(10sccm)混合气体，打开RF电源，电源功率调整为300W，生长60min，在球形氧化硅表面生成石墨烯包覆层。将铝粉与石墨烯包覆的氧化硅颗粒混合，在氩气保护下，在800℃反应12h。将反应后的材料置于盐酸溶液中浸泡24h，除去材料中氧化铝，过滤、清洗烘干后得到石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。
实施例8
首先将球形氧化硅原料(粒径为200-500nm)置于陶瓷舟并放于管式炉中，抽真空。随后管式炉以6℃/min升温速率升温，至预定反应温度800℃后，通入CH4(20sccm)与H2(10sccm)混合气体，打开RF电源，电源功率调整为300W，生长60min，在球形氧化硅表面生成石墨烯包覆层。将金属钠与石墨烯包覆的氧化硅颗粒混合，在氩气保护下，在600℃反应4h。将反应后的材料置于盐酸溶液中浸泡1h，除去材料中氧化钠，过滤、清洗烘干后得到石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。
实施例9
首先将球形氧化硅原料(粒径为200-500nm)置于陶瓷舟并放于管式炉中，抽真空。随后管式炉以6℃/min升温速率升温，至预定反应温度800℃后，通入CH4(20sccm)与H2(10sccm)混合气体，打开RF电源，电源功率调整为300W，生长60min，在球形氧化硅表面生成石墨烯包覆层。将铝粉与石墨烯包覆的氧化硅颗粒混合，在氩气保护下，在800℃反应12h。将反应后的材料置于硝酸溶液中浸泡24h，除去材料中氧化镁，过滤、清洗烘干后得到石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。

Claims (9)

1.一种石墨烯包覆介孔硅微球负极材料的制备方法，其特征在于，将表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球和还原性金属混合，然后在保护气氛中、600～800℃下反应4～12小时，再经酸洗后，得到所述石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述还原性金属为金属铝、碱金属、和碱土金属中至少一种，优选镁、铝、锂、钠、钾的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，采用等离子体辅助化学气相沉积法制备所述表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述等离子体辅助化学气相沉积法包括：将二氧化硅微球置于等离子体化学气相沉积设备中并抽至真空，然后升温至400～800℃后打开射频电源，电源功率调整为100～300W，通入碳源气体和辅助气体，反应20～60分钟，得到所述表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球；优选地，所述真空的真空度为0.1～100Pa。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述碳源气体选自甲烷、乙烯、二氟甲烷和乙炔中的至少一种，所述辅助气体为氢气和/或氩气；优选地，所述碳源气体的流量为5～20sccm，所述辅助气体的流量为1～10 sccm。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述表面包覆有石墨烯的二氧化硅微球中二氧化硅微球的粒径为50nm～1μm ，优选为100nm～500nm。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述保护气氛为氩气、氮气、氦气、氢气中的至少一种。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述酸洗所用酸溶液为盐酸、硝酸或硫酸。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的制备方法制备的石墨烯包覆介孔硅微球负极材料。
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