一种包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料混合物的制备方法技术

本发明专利技术提供一种包覆一氧化硅网状结构纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料混合物的制备方法，包括以下步骤：（1）将硅化合物与石墨烯混合，配制溶性混合物溶液；（2）将可溶性混合物溶液中的硅化合物和石墨烯均制成纳米粒子，再加入微波热裂解设备的腔体内；（3）将腔体内的氧分压控制在5~10000ppm，温度为200~500℃，反应10~300s后，收集微波热裂解腔体内的粉末，干燥，得到产品。此方法不仅工艺简单，而且，所得到的包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料的混合物中纳米硅粒子与石墨烯粒子的分散性好、纯度高。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种包覆一氧化硅网状结构纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料混合物的制备方法，包括以下步骤：（1）将硅化合物与石墨烯混合，配制溶性混合物溶液；（2）将可溶性混合物溶液中的硅化合物和石墨烯均制成纳米粒子，再加入微波热裂解设备的腔体内；（3）将腔体内的氧分压控制在5~10000ppm，温度为200~500℃，反应10~300s后，收集微波热裂解腔体内的粉末，干燥，得到产品。此方法不仅工艺简单，而且，所得到的包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料的混合物中纳米硅粒子与石墨烯粒子的分散性好、纯度高。【专利说明】
本专利技术涉及电池电极材料生产领域，特别是。
技术介绍
随着化石燃料等不可再生能源的日益枯竭，人们越来越迫切的需求新型的可再生清洁能源以及能量储存与转换技术。锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优势，已广泛应用在手机、笔记本电脑等便携式电子设备中，并有望应用在电动汽车、新能源储能等领域。但是，商业化应用的石墨类碳负极材料的理论比容量仅为372 mAh/g，限制了锂离子电池能量密度的进一步提高。而硅负极材料的理论容量高达4200 mAh/g,因此，硅负极材料成为了电池负极材料的开发热点。随着电子器件集成度的提高，纳米硅粉作为纳米电子器件的原材料也受到广泛关注。目前，常见的生产纳米硅粉的方法主要有化学气相沉积法和球磨法，但是，由于化学气相沉积法使用的硅烷是有毒的爆炸性气体，安全保护是化学气相沉积法的一个重要问题，而球磨法生产的纳米硅粉杂质含量高，粒径分布不能有效控制，后处理比较繁琐。另外，虽然硅负极材料的理论容量高，但是，硅负极材料在充放电过程中体积变化巨大(约300%)，循环稳定性差。为了提高硅负极材料的循环稳定性，有人通过制备包覆一氧化娃的纳米娃粒子来避免娃负极材料的体积变化，其中，包覆一氧化娃纳米娃粒子的制备流程为:先采用球磨法将硅在溶液中粉碎至纳米尺度之后；再经过悬浮分选选出粒径介于3(T50nm ;将硅粉干燥后进行氢气处理或使用氢氟酸清洗，将表面的二氧化硅还原成为硅或移除；将所得的纳米硅粉置入控制氧分压的微波热裂解腔体中进行表面反应而得到硅表面包覆一氧化硅网状结构纳米粒子；将所得的硅表面包覆一氧化硅网状结构纳米粒子分散在溶液中与石墨烯进行液相混合。虽然，此方法可在一定程度上提高硅负极材料的循环稳定性，但是，此方法也存在诸多缺点:(1)通过球磨法对硅进行粉碎时溶液中容易混入杂质，影响纳米粒子的纯度；(2)氢气处理容易因粉末聚结造成还原不均匀；(3)氢氟酸溶液容易造成操作人员受伤，且酸排放会造成环境污染；(4)由于包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子之间会发生聚集，因此，将含有包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子的溶液与石墨烯溶液混合的过程中无法确保包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子与石墨烯粒子均匀分布；(5)工艺复杂。
技术实现思路
本专利技术提供，此方法不仅工艺简单，而且，所得到的包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料的混合物中纳米硅粒子与石墨烯粒子的分散性好、纯度高。一种包覆一氧化硅网状结构纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料混合物的制备方法，包括以下步骤:(1)按照硅化合物与石墨烯的质量比为< 30:70将硅化合物与石墨烯混合，配制固含量为0.2 一 2%重量百分比的可溶性混合物溶液；(2)将可溶性混合物溶液中的硅化合物和石墨烯均制成纳米粒子，再加入微波热裂解设备的腔体内；(3)将微波热裂解设备的腔体内的氧分压控制在5~lOOOOppm，温度为200 — 500°C，反应l(T300s后，收集微波热裂解腔体内的粉末，干燥，得到产品。其中，在一般的采用微波进行的裂解工艺中，微波频率一般的选择范围为915~2450MHz。本专利技术的有益技术效果为: (1)传统的包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料混合物的制备工艺为:首先，单独制备包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子的悬浮液和石墨烯悬浮液；然后，再将两者混合，即得包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料混合物。而本专利技术采用先将纳米硅粒子的原材料(硅化合物)与石墨烯混合，再制备硅化合物和石墨烯的纳米粒子，最后采用喷雾热解法一步实现制备包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料混合物，制备工艺更简单； (2)由于石墨烯优异的导电性，可以有效降低锂电池系统的接触电阻，使电流流动更加迅速，提高充放电的速率；而本专利技术的制备方法采用石墨烯始终存在在纳米硅粒子的制备过程中，石墨烯可作为纳米硅析出的载具，使得得到的包覆一氧化硅网状结构的纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料混合物中纳米硅粒子和石墨烯粒子分散性更好； (3)本专利技术采用硅化合物作为硅的来源，由于大多数的硅化合物比硅的价格便宜，可在一定程度上降低原料的成本； (4)本专利技术将可溶性混合溶液中硅化合物和石墨烯的重量百分比之和控制在0.22%，既可避免化合物和石墨烯的重量百分比之和太大，制备纳米粒子的难度大，纳米粒子制备过程中产热快，容易发生副反应，无法成功包覆；又可避免硅化合物和石墨烯的重量百分比之和太小，纳米粒子制备效率低； (5)本专利技术的纳米级硅粒子析出在石墨烯粒子表面，同时在适当的温度和氧分压条件下，最外层的纳米级硅粒子氧化形成一氧化硅网状结构，成功制备包覆一氧化硅网状结构的纳米娃粒子与石墨烯锂电池负极材料混合物； (6)本专利技术采用微波热裂解法对硅化合物进行裂解制备纳米硅粒子，与传统热裂解方式(如传导、对流、辐射加热裂解方式等)相比，微波加热过程中温度均匀，所形成的一氧化娃网格结构均匀，电池电容量和循环寿命稳定、可靠。步骤(1)中的硅化合物物可以为硅烷或四氯化硅。其中，四氯化硅来源于多晶硅废料四氯化硅，可有效降低成本，并且，实现硅元素资源的回收利用。步骤(2)中采用超声波雾化法将可溶性混合物溶液雾化成平均粒径为f 5微米的雾滴，再将雾滴喷入微波热裂解设备的腔体内。当然，步骤(2)也可采用球磨机研磨制备纳米粒子，但是，采用超声波法对可溶性混合溶液进行雾化制备纳米硅粒子，不仅雾化过程不易污染，并且，颗粒大小分布更均匀。另外，步骤(2)中的超声波功率为20(T500W，超声波换能器频率为1.5^2.4MHz，可快速实现雾化，且，保持得到雾化颗粒的均匀。步骤⑶中的千燥在真空或惰性气体环境下进行，这样，避免一氧化娃被氧化成二氧化娃。步骤(3)中的氧分压优选为50(T2500ppm，所制得的包覆一氧化硅网状结构的纳米娃粒子与石墨烯锂电池 负极材料混合物的电容量可达到2500 mAh/g以上。步骤(3)的干燥温度为20(T50(TC，即避免温度太高，利于一氧化硅进一步氧化，又避免温度太低，延长干燥时间，降低干燥效率。步骤(3)的干燥时间为0.2?2h，避免干燥时间过长，降低干燥效率，同时，也避免干燥时间过短时，所需干燥温度高，易使一氧化硅进一步氧化。根据上述的一种硅表面包覆一氧化硅网状结构纳米粒子和石墨烯的锂电池负极材料的制备方法制得的硅表面包覆一氧化硅网状结构纳米粒子和石墨烯的锂电池负极材料也属于本专利技术的保护范围。【具体实施方式】现具体阐述本专利技术的实施方式: ，包括以下步骤:(I)按照硅化合物与石本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包覆一氧化硅网状结构纳米硅粒子与石墨烯锂电池负极材料混合物的制备方法，包括以下步骤：（1）按照硅化合物与石墨烯的质量比为≥30：70将硅化合物与石墨烯混合，配制固含量为0.2〜2%重量百分比的可溶性混合物溶液；（2）将可溶性混合物溶液中的硅化合物和石墨烯均制成纳米粒子，再加入微波热裂解设备的腔体内；（3）将微波热裂解设备的腔体内的氧分压控制在5~10000ppm，温度为200〜500℃，反应10~300s后，收集微波热裂解腔体内的粉末，干燥，得到产品。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈明亿，王维纲，侯则良，
申请(专利权)人：福建省诺希新材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35