一种硅炭复合材料的制备方法及储能应用技术

本发明专利技术公开了一种硅炭复合材料的制备方法，其具体步骤为：将微、纳米尺度硅粉分散于有机溶剂中，依次加入表面活性剂和无机非金属模板剂、高分子聚合物，搅拌溶解直至得到均匀浆料。将混合浆料进行纺丝、涂布刮膜或直接蒸发干燥，在200～400摄氏度下进行预反应1～36小时。将得到的复合物在有机溶剂中浸泡除去模板剂，干燥后在惰性气氛下600～1500摄氏度反应1～48小时。该发明专利技术所制备硅炭复合材料作为锂电池负极具有比容量高、循环性能优良等特点。

Preparation and Energy Storage Application of a Silicon-Carbon Composite

The invention discloses a preparation method of silicon-carbon composite material, which comprises the following steps: dispersing micro-and nano-scale silicon powder in organic solvents, adding surfactant, inorganic non-metallic template agent and macromolecule polymer in turn, stirring and dissolving until uniform slurry is obtained. The slurry mixture was spun, coated, scraped or dried by direct evaporation. The slurry was pre-reacted at 200-400 degrees Celsius for 1-36 hours. The obtained composite was soaked in organic solvents to remove the template. After drying, it reacted at 600-1500 degrees Celsius for 1-48 hours in an inert atmosphere. The silicon-carbon composite prepared by the invention has the characteristics of high specific capacity and excellent cycle performance as the negative electrode of lithium battery.

【技术实现步骤摘要】
一种硅炭复合材料的制备方法及储能应用
本专利技术涉及无机非金属材料
，特别是涉及一种锂电池用硅炭复合负极材料的制备方法。
技术介绍
近年来，化石能源的过度消耗及由此引发的环境污染问题引起了世界各国的广泛关注。清洁能源的研究和开发促进了储能材料及器件的发展。与超级电容器相比，锂离子电池具有较高的能量密度。但目前已商业化的锂离子电池中大多以石墨做负极，在充放电循环过程中易形成稳定的固体电解质界面膜及石墨片层的体积膨胀和收缩现象容易导致严重的安全问题。另一方面，石墨理论放电比容量为372mAh/g，不能满足当前快速发展的新能源汽车对长续航动力电池的需求。作为锂离子电池负极材料，硅的理论比容量可高达4200mAh/g，因而在高能量密度动力电池的研究开放方面有很好的发展潜力。应该看到，硅负极在实际应用中仍存在很大的缺陷，在充放电过程中由于锂离子在结构中的脱嵌会导致巨大的体积收缩和膨胀现象，有报道称可高达300％，因而在硅负极内部产生的很大内应力导致结构破坏以至于粉化从集流体上脱落，极大地降低了电极的导电性和循环稳定性。大多数研究人员采用纳米尺度硅粉(小于100纳米)或者多孔硅与碳材料复合制备纳米结构硅炭复合材料，通常工艺较复杂且产品的储能性能仍然较低。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术采用以下技术方案制备纳米结构硅炭复合负极材料。本专利技术所采用的技术方案是：1)将100质量份微、纳米尺度硅粉分散于有机溶剂中，依次加入1～50质量份表面活性剂和1～100质量份无机非金属单质模板剂并搅拌溶解。加入20～2000质量份高分子聚合物，搅拌溶解直至得到均匀浆料。2)将上述步骤得到的混合均匀浆料进行纺丝、涂布刮膜或直接蒸发干燥。3)将上述步骤得到的复合材料在200～400摄氏度进行预反应1～36小时。4)将上述步骤得到的复合材料在有机溶剂中浸泡以除去模板剂。5)将上述步骤得到的复合材料干燥后在惰性气氛下600～1500摄氏度反应1～48小时。上述步骤所用有机溶剂为醇类、醚类、酯类、芳香烃类、脂肪烃类、酮类、卤化烃类、酰胺类有机溶剂，及四氢呋喃、二硫化碳、松香水、汽油、柴油中的一种或几种；所用表面活性剂为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子表面活性剂中的一种或几种；所用无机非金属单质为硫、碘中的一种或两种；所用聚合物为沥青、聚酰胺树脂、聚丙烯腈、聚砜树脂、环氧树脂、聚氨酯、聚乙烯醇、多糖、聚酯、聚烯烃、纤维素中的一种或几种。附图说明图1为实施例1膜产物的平面扫描电镜图。图2为实施例1膜产物的断面扫描电镜图。图3为实施例2产物的扫描电镜图。图4为实施例3膜产物的扫描电镜图。图5为实施例4产物的扫描电镜图。图6为实施例4产物的X射线衍射图谱。图7为实施例1产物的充放电循环性能图。图8为实施例3产物的充放电循环性能图。图9为实施例4产物的充放电循环性能图。具体实施方式实施例1：将100质量份硅粉分散于二甲基甲酰胺中，依次加入10质量份聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物、60质量份单质硫、500质量份聚丙烯腈搅拌溶解直至得到均匀浆料。静置脱泡，用200微米刮刀刮膜，用蒸馏水做凝固浴，待成膜后取出干燥。将膜置于高温炉中300摄氏度预反应10小时。将复合膜在二硫化碳中浸泡除去模板剂。将膜干燥后在惰性气氛下650摄氏度反应6小时得到硅炭复合负极材料，产物形貌如图1、图2所示。实施例2：将100质量份硅粉分散于二甲基甲酰胺中，依次加入5质量份脂肪醇酯、25质量份单质碘、240质量份煤沥青搅拌溶解直至得到均匀浆料。将均质浆料干燥后，置于高温炉中300度预反应5小时。将得到的复合材料在四氢呋喃中浸泡以除去模板剂。将材料干燥后在惰性气氛下700摄氏度反应8小时得到硅炭复合负极材料，产物形貌如图3所示。实施例3：将100质量份硅粉分散于二甲基甲酰胺中，依次加入8质量份十六烷基三甲基溴化铵、44质量份单质硫、480质量份聚丙烯腈搅拌溶解得到均匀浆料。静置脱泡，将纺丝液进行静电纺丝，纺丝条件为：0.52毫米针头，15千伏电压，针头和接收板间的距离为20厘米，纺丝液流速为0.6毫升/小时。纺丝箱内温度为20～25摄氏度，湿度为35％～40％。纺丝结束后，将膜真空60摄氏度干燥，并在在高温炉中280摄氏度进行预反应10小时。将复合膜在二硫化碳中浸泡除去模板剂，干燥后在惰性气氛下650摄氏度反应6小时得到硅炭复合负极材料，产物形貌如图4所示。实施例4：将100质量份硅粉分散于四氢呋喃中，依次加入8质量份聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物、18质量份单质硫、300质量份煤沥青搅拌溶解直至得到均匀浆料。将均质浆料干燥后，置于高温炉中300度预反应5小时。将得到的复合材料在四氢呋喃中浸泡以除去模板剂。将材料干燥后在惰性气氛下700摄氏度反应8小时得到硅炭复合负极材料，产物形貌如图5所示，X射线粉末衍射图谱如图6所示。实施例5：材料的电化学性能测试采用扣式电池系统在室温下测试材料的电化学性质，其中电解液为1.0MLiPF6/EC+DMC(体积比为1∶1)，采用蓝电CT2001A型电池测试系统进行充放电测试，电压范围为0.005-1.5V。结果如图7、图8和图9所示。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅炭复合材料的制备方法，其具体步骤为：1)将100质量份微、纳米尺度硅粉分散于有机溶剂中，依次加入1～50质量份表面活性剂和1～100质量份无机非金属单质模板剂、20～2000质量份高分子聚合物，搅拌溶解直至得到均匀浆料。2)将上述步骤得到的混合均匀浆料进行纺丝、涂布刮膜或直接蒸发干燥。3)将上述步骤得到的复合材料在200～400摄氏度进行预反应1～36小时。4)将上述步骤得到的复合材料在有机溶剂中浸泡除去模板剂。5)将上述步骤得到的复合材料干燥后在惰性气氛下600～1500摄氏度反应1～48小时。

【技术特征摘要】
1.一种硅炭复合材料的制备方法，其具体步骤为：1)将100质量份微、纳米尺度硅粉分散于有机溶剂中，依次加入1～50质量份表面活性剂和1～100质量份无机非金属单质模板剂、20～2000质量份高分子聚合物，搅拌溶解直至得到均匀浆料。2)将上述步骤得到的混合均匀浆料进行纺丝、涂布刮膜或直接蒸发干燥。3)将上述步骤得到的复合材料在200～400摄氏度进行预反应1～36小时。4)将上述步骤得到的复合材料在有机溶剂中浸泡除去模板剂。5)将上述步骤得到的复合材料干燥后在惰性气氛下600～1500摄氏度反应1～48小时。2.根据权利要求1所述一种硅炭复合材料的制备方法，其特征在于所述有机溶剂为醇类、醚类、酯类、芳香烃类、脂肪烃类、酮类、卤化烃类、酰胺类有机溶剂，及四氢...

【专利技术属性】
技术研发人员：解勤兴，刘冬青，鹿秀山，谢东良，瞿诗鹏，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12