一种二氧化硅/生物炭复合材料的制备方法及其用途技术

本发明专利技术提供了一种二氧化硅/生物炭复合材料的制备方法及其用途，制备步骤如下：将生鸡蛋黄与水/乙醇混合液混合，搅拌均匀，形成蛋黄溶液，将氨水逐滴滴加到所述蛋黄溶液中，充分搅拌，再逐滴滴加原硅酸四乙酯，滴加完成后，室温下搅拌反应，得到二氧化硅/鸡蛋黄混合液；将二氧化硅/鸡蛋黄混合液冷冻干燥，得到二氧化硅/生物炭复合材料前驱体粉末；将二氧化硅/生物炭复合材料前驱体粉末置于管式炉中，在保护气氛下程序升温至煅烧温度后，煅烧，煅烧完成后自然冷却至室温；将煅烧后的材料分别使用NaOH溶液、KOH溶液对材料进行浸泡，离心、洗涤、干燥后得到二氧化硅/生物炭负极材料。本发明专利技术制备工艺简单易操作，有利于大规模制备。

Preparation and Application of a Silica/Biocharcoal Composite

The invention provides a preparation method of silica/biocharcoal composite material and its application. The preparation steps are as follows: mixing raw egg yolk with water/ethanol mixture, stirring evenly, forming egg yolk solution, adding ammonia water drop by drop to the egg yolk solution, fully stirring, adding tetraethyl orthosilicate drop by drop, and stirring reaction at room temperature to obtain dioxide. Silicon/egg yolk mixture; Silicon dioxide/egg yolk mixture was freeze-dried to obtain SiO_2/biocharcoal composite precursor powder; SiO_2/biocharcoal composite precursor powder was placed in a tubular furnace, programmed to the calcination temperature in a protective atmosphere, calcined, and then cooled to room temperature after calcination; the calcined materials were respectively cooled to NaOH solution. The materials were soaked in KOH solution and then centrifuged, washed and dried to obtain silica/biochar anode materials. The preparation process of the invention is simple and easy to operate, and is beneficial to large-scale preparation.

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化硅/生物炭复合材料的制备方法及其用途
本专利技术属于电化学和新能源材料领域，公开了一种二氧化硅/生物炭复合材料的制备方法和用途。
技术介绍
随着化石能源是日益殆尽，环境污染越来越严重，电化学储能得到了越来越多的关注。油电混合动力汽车、纯电动汽车、插电式混合动力汽车等得到了大力发展与应用。锂离子电池拥有较高的输出电压，容量高，质量轻，无记忆效应以及其它多种优点在动力电池上得到了广泛应用。但是目前所使用的插层型石墨负极材料(理论容量372mAhg-1)已不能满足电动汽车高续航里程的要求。因此开发高能量密度的锂离子电池负极材料迫在眉睫。在所有的负极材料中硅负极拥有最高的理论比容量(4200mAhg-1)，但同时硅负极在充放电过程中遭受着巨大的体积膨胀，导致电池的容量急剧下降。尽管有很多研究来解决硅的膨胀问题，比如硅纳米颗粒，硅纳米线，硅碳复合材料等，但将其应用到商业化锂离子电池还有很多问题等待解决。二氧化硅作为一种便宜、易获取的氧化物拥有1965mAhg-1的理论容量，被认为是一种拥有商业化前景的锂离子电池负极材料以取代现在的石墨负极材料。二氧化硅用于锂离子电池负极材料发展得比较晚，最早是在纳米化的二氧化硅中发现其拥有储锂性能，随后的研究又相继发现其作用机理为转换型，即在首次循环时二氧化硅与锂发生转换反应生成硅以发生可逆循环反应。但目前的关键问题在于如何提高转换反应的效率以及转换反应发生后如何解决体积膨胀问题。
技术实现思路
本专利技术主要解决的问题在于传统石墨负极材料比容量已接近物理极限，难以有更大的突破，为满足新能源汽车高续航里程的需求，必须寻找新的动力电池电极材来满足这一需求。通过本专利技术的制备方法所制备的二氧化硅/生物炭复合负极材料呈现出均匀分布的三维类石榴结构，通过选择性刻蚀后其孔径分布集中在介孔区域。因此该材料有利于形成稳定的SEI膜，导电性及离子传输效率高，比容量高，循环性能好。为解决二氧化硅发生转换反应以后的体积膨胀问题，本专利技术采用了一种原位复合的方法，以鸡蛋溶液作为生物质炭源，以原硅酸四乙酯(TEOS)作为二氧化硅的来源，直接在鸡蛋溶液中水解形成均匀分布的二氧化硅。该方法合成步骤简单，容易操作，产于较高，有利于大规模制备。本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种二氧化硅/生物炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1、将生鸡蛋黄与水/乙醇混合液混合，搅拌均匀，形成蛋黄溶液，将氨水逐滴滴加到所述蛋黄溶液中，充分搅拌，再逐滴滴加原硅酸四乙酯，滴加完成后，室温下搅拌反应，得到二氧化硅/鸡蛋黄混合液；步骤2、将步骤1得到的二氧化硅/鸡蛋黄混合液冷冻干燥，得到二氧化硅/生物炭复合材料前驱体粉末；步骤3、将步骤2得到的二氧化硅/生物炭复合材料前驱体粉末置于管式炉中，在保护气氛下程序升温至煅烧温度后，煅烧，煅烧完成后自然冷却至室温；步骤4、将步骤3煅烧后的材料分别使用NaOH溶液、KOH溶液对材料进行浸泡，离心、洗涤、干燥后得到二氧化硅/生物炭负极材料。步骤1中，所使用的生鸡蛋黄、水/乙醇混合液、氨水、原硅酸四乙酯的用量比为15g：50-100mL：2-6mL：2-6mL；所述水/乙醇混合液中，水和乙醇的体积比为1：1；所使用的氨水的浓度为质量分数25-28％；所述室温下保持搅拌的时间为3-12h。步骤2中，所述冷冻干燥的温度为-80℃，冷冻干燥的时间为12-48h。步骤3中，所述管式炉升温速率为2-5℃·min-1，煅烧温度为500-1200℃，煅烧时间为4h。步骤4中，所述保护气为保护气为氢氩混合气、氮气、氩气、氦气、氖气中的一种。步骤4中，所述保护气为氢气的体积分数为5％氢氩混合气。步骤4中，所使用的NaOH溶液、KOH溶液浓度均为4mg/mL，所述浸泡时间均为3-12h。步骤4中，所述的浸泡时间为12h。一种通过上述方法制备得到的二氧化硅/生物炭复合材料，二氧化硅含量为36.5％-56.91％，其余为生物炭；所述二氧化硅/生物炭复合材料比表面积为483.72m2g-1，平均孔径为5.376nm。所述的二氧化硅/生物炭复合材料用作锂离子电池负极材料。有益效果：与现有专利技术相比，本专利技术会产生如下效益：(1)本专利技术所采用的所有原材料价格便宜，来源广泛，均可人工合成，并且环境友好。制备工艺简单易操作，有利于大规模制备。(2)本专利技术制备的一种二氧化硅与生物炭复合材料呈多孔三维类石榴结构，该结构有益于降低比表面积，形成稳定的SEI膜，丰富的孔结构有助于电解液的渗透，增强离子传输效率。此外由鸡蛋作为炭源所引入的氮、磷等杂原子掺杂可以提高复合材料的导电性降低其阻抗。(3)将本方法所制备二氧化硅与生物炭复合材料与粘结剂、导电剂按8：1：1的比列混合制成浆料涂布在铜集流体上组装为锂离子电池。其循环比容量高，远超传统碳材料的理论容量；整个循环并无容量衰减并呈上升趋势，材料循环寿命长；倍率性能好。当该二氧化硅与生物炭复合材料用于锂离子负极材料时，在100mAg-1下，经过400次循环后的容量保持在876mAhg-1；在500mAg-1下经过1000次循环后容量保持在381mAhg-1。此外该符合材料还拥有较好的倍率性能，在2000mAg-1下仍然可以保持302mAhg-1的容量，并且当电流密度回到100mAg-1时，其容量仍然能够达到534mAhg-1。因此本专利技术中的二氧化硅/生物炭复合材料及其制备方法为锂离子电池的商业化发展提供了进一步的可能性。附图说明附图1为所制备的三维多孔类石榴结构二氧化硅/生物炭复合材料的扫描电镜图。附图2为所制备的三维多孔类石榴结构二氧化硅/生物炭复合材料的热重分析图。附图3为所制备的三维多孔类石榴结构二氧化硅/生物炭复合材料的比表面测试图。附图4为所制备的三维多孔类石榴结构二氧化硅/生物炭复合材料所组装的锂离子电池循环性能测试图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述：一种二氧化硅/生物炭复合锂离子电池负极材料的制备方法，包括如下步骤：步骤一：取出一枚鸡蛋蛋黄置于烧杯中在机械搅拌(转速全程控制在500rmin-1)的作用下依次加入水和乙醇进行稀释(水和乙醇共加入50-100mL，体积比控制为1：1)，继续搅拌15min后，逐滴加入2-6mL(2mL、3mL、6mL)氨水以提供碱性环境，随后逐滴加入2-6mLTEOS(2mL、3mL、4mL、5mL、6mL)，室温下保持搅拌3-12h(3h、6h、12h)，最后将所得的淡黄色粘稠液体经冷冻干燥得到中间产物。步骤二：取0.5g步骤一中所得的中间体放入坩埚中，将坩埚放入管式炉中，向管式炉中通入5％氢氩混合气(可用氮气、氩气、氦气、氖气中的一种代替)作保护气，升温速率设为2-5℃min-1，煅烧温度为500-1200℃(500℃、600℃、800℃、1000℃、1200℃)，煅烧时间为4h，得到类石榴结构二氧化硅/生物炭复合材料。步骤三：将煅烧后得到的产物分别用4mL0.1gmL-1的KOH、NaOH稀释至100mL进行浸泡以提高材料的孔隙率。浸泡时间为3-12h，最后通过离心、洗涤、干燥，得到二氧化硅/生物炭复合材料。所述步骤一中的鸡蛋来自于当地的超市，如涉及大规模制备可考虑使用人造鸡蛋。所述步骤一中冷冻干燥时间为12-48h(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化硅/生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将生鸡蛋黄与水/乙醇混合液混合，搅拌均匀，形成蛋黄溶液，将氨水逐滴滴加到所述蛋黄溶液中，充分搅拌，再逐滴滴加原硅酸四乙酯，滴加完成后，室温下搅拌反应，得到二氧化硅/鸡蛋黄混合液；步骤2、将步骤1得到的二氧化硅/鸡蛋黄混合液冷冻干燥，得到二氧化硅/生物炭复合材料前驱体粉末；步骤3、将步骤2得到的二氧化硅/生物炭复合材料前驱体粉末置于管式炉中，在保护气氛下程序升温至煅烧温度后，煅烧，煅烧完成后自然冷却至室温；步骤4、将步骤3煅烧后的材料分别使用NaOH溶液、KOH溶液对材料进行浸泡，离心、洗涤、干燥后得到二氧化硅/生物炭负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化硅/生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将生鸡蛋黄与水/乙醇混合液混合，搅拌均匀，形成蛋黄溶液，将氨水逐滴滴加到所述蛋黄溶液中，充分搅拌，再逐滴滴加原硅酸四乙酯，滴加完成后，室温下搅拌反应，得到二氧化硅/鸡蛋黄混合液；步骤2、将步骤1得到的二氧化硅/鸡蛋黄混合液冷冻干燥，得到二氧化硅/生物炭复合材料前驱体粉末；步骤3、将步骤2得到的二氧化硅/生物炭复合材料前驱体粉末置于管式炉中，在保护气氛下程序升温至煅烧温度后，煅烧，煅烧完成后自然冷却至室温；步骤4、将步骤3煅烧后的材料分别使用NaOH溶液、KOH溶液对材料进行浸泡，离心、洗涤、干燥后得到二氧化硅/生物炭负极材料。2.根据权利要求1所述的一种二氧化硅/生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所使用的生鸡蛋黄、水/乙醇混合液、氨水、原硅酸四乙酯的用量比为15g：50-100mL：2-6mL：2-6mL；所述水/乙醇混合液中，水和乙醇的体积比为1：1；所使用的氨水的浓度为质量分数25-28％；所述室温下保持搅拌的时间为3-12h。3.根据权利要求1所述的一种二氧化硅/生物炭复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述冷冻干燥的温度为-80℃，冷冻干燥的时间为12-...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱静霞，王广，祁莹，丁华瑞，包健，连加彪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32