纳米多孔材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及纳米多孔材料及其制备方法。该多孔材料含有M单质，M为Si和/或Ge；该多孔材料的粒度为20～150nm，孔隙率为0.2～0.8，比表面积为15～300m2/g。该多孔材料作为电极材料具有较好的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料领域，具体涉及纳米多孔材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池具有比能量高、体积小、重量轻、循环寿命高、自放电小等优点，在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等领域都有广泛的应用。在诸多新一代高比能量锂离子电池负极材料中，硅具有理论容量高(约为石墨的13倍)、产量丰富等优点，是未来代替石墨负极材料的最富潜力的材料之一。然而，硅在充放电过程中会发生巨大的体积膨胀，导致电池容量急速衰减。将硅材料纳米化，例如制备硅纳米颗粒、硅纳米线等，是解决上述问题的途径之一。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种多孔材料，本专利技术的再一个目的是提供一种多孔材料的制备方法，本专利技术的再一个目的是提供一种组合物，本专利技术再一个目的是提供上述组合物的制备方法，本专利技术再一个目的是提供一种锂离子电池。本专利技术一方面提供一种多孔材料，其含有M单质，M为Si和/或Ge；所述多孔材料的粒度为20～150nm，孔隙率为0.2～0.8，比表面积为15～300m2/g。在一个实施方案中，本专利技术任一项的多孔材料，其具有以下一项或多项特征，优选地，该多孔材料的粒度为50～150nm，例如50～130nm，例如50～110nm，例如60～100nm，再例如70～90nm；优选地，该多孔材料的孔隙率为0.3～0.8，例如0.4～0.8，例如0.5～0.8，例如0.6～0.7；优选地，该多孔材料的比表面积为40～300m2/g，再例如100～300m2/g，再例如150～300m2/g，再例如200～300m2/g，再例如230～300m2/g，再例如230～270m2/g，再例如240～260m2/g；优选地，该多孔材料的表观密度为0.5～2.2g/cm3，例如0.5～2g/cm3，例如0.5～1.5g/cm3，例如0.6～1.1g/cm3，例如0.6～0.8g/cm3；优选地，该多孔材料的孔径分布曲线在10～50nm有特征峰，例如在5～15nm有特征峰，再例如在15～25nm有特征峰，再例如在25～35nm有特征峰；优选地，该多孔材料的孔径分布曲线上只有一个特征峰；优选地，该多孔材料的40～50万倍TEM照片中，能够观察到多孔结构(例如泡沫状多孔结构)；优选地，该多孔材料含有50重量％以上的M单质；优选地，该多孔材料含有90重量％以上的M单质；优选地，该多孔材料含有99重量％以上的M单质；优选地，M为Si。本专利技术又一方面提供一种制备多孔材料的方法，其包括：i)球磨原料M单质与氧化剂的混合物，获得M的氧化物；M为Si和/或Ge；ii)热处理M的氧化物；iii)酸洗热处理后的M的氧化物；优选地，所述多孔材料为本专利技术任一项的多孔材料。在一个实施方案中，本专利技术任一项的方法，步骤i)具有以下一项或多项特征：优选地，原料M单质的纯度大于约99.5％，优选大于99.9％；优选地，原料M单质的形状为球状、类球状、块状、类块状、棒状或不规则形状；优选地，原料M单质的体积为1～10mm3，优选为3～7mm3；优选地，原料M单质与所述氧化剂的摩尔比为1:0.8～1.8，例如1:1.0～1.5，再例如1:1.2～1.4。在一个实施方案中，本专利技术任一项的方法，步骤i)具有以下一项或多项特征：优选地，所述氧化剂包括水；优选地，球磨在真空或非氧化气氛下进行，非氧化气氛可以是惰性气体气氛，例如氩气氛；优选地，球磨的转速为500～2000r/min，例如800～1200r/min；优选地，球磨使用的磨球直径为1～5mm，例如3～4mm；优选地，球磨使用的磨球的材质为ZrO2；优选地，球磨的料球质量比为1:20；优选地，球磨的时间为1～5小时，例如3～4小时。在一个实施方案中，本专利技术任一项的方法，步骤i)具有以下一项或多项特征：优选地，所述M的氧化物为MOx，x＝0.2～1.8(例如x＝0.5～1.7，例如x＝1.0～1.6，再例如x＝1.2～1.4)；优选地，所述M的氧化物为非晶材料；优选地，所述M的氧化物为粒度为50～200nm，例如50～150nm。优选地，所述M的氧化物的TEM照片中，没有明显的晶体结构；优选地，所述M的氧化物的XRD曲线中，在2θ角为10～40°范围内有馒头峰；优选地，所述M的氧化物为具有如图2的曲线b所示的XRD曲线；优选地，所述M的氧化物为拉曼谱图中，在波长475～500cm-1的位置有峰。在一个实施方案中，本专利技术任一项的方法，步骤ii)具有以下一项或多项特征：优选地，热处理在真空或非氧化气氛下进行，非氧化气氛例如是惰性气体气氛，例如是氩气和氢气的混合气气氛，优选非氧化气氛中氢气的含量为1～3体积％；优选地，热处理的温度为500～1500℃，例如是800～1200℃；优选地，热处理的时间为1～5小时，例如3～5小时。在一个实施方案中，本专利技术任一项的方法，步骤iii)具有以下一项或多项特征：优选地，酸洗使用的酸包括氢氟酸，氢氟酸的浓度优选为0.1～1mol/L，再优选为0.3～0.8mol/L；优选地，酸洗的时间为0.1小时以上，优选为0.3～0.7小时；优选地，酸洗后还包括过滤、洗涤和干燥中的一步或多步。本专利技术又一方面提供一种组合物，含有导电成分和本专利技术任一项的多孔材料；优选地，所述导电成分为碳和/或导电聚合物；优选地，所述碳选自石墨、硬碳，软碳、炭黑、活性炭、C60、石墨烯、氧化石墨烯或纳米碳管中的一种或多种；优选地，所述组合物是本专利技术任一项的多孔材料和导电成分球磨混合的产物。在一个实施方案中，本专利技术任一项的组合物，其具有以下一项或多项特征：优选地，所述组合物比表面积为2～30m2/g，例如5～30m2/g，再例如10～30m2/g，再例如15～30m2/g，再例如20～30m2/g；优选地，所述组合物中，M元素与碳元素的质量比分别为1:0.01～10，例如1:0.1～0.2；优选地，所述组合物作为锂离子电池负极材料，在1C电流密度下，循环1000周后的放电比容量为1000～1500mAh/g，例如1100～1400mAh/g，再例如1200～1300mAh/g。本专利技术又一方面提供本专利技术任一项的组合物的制备方法，其包括以下步骤：将本专利技术任一项的多孔材料与所述导电成分混合后球磨。在一个实施方案中，本专利技术任一项组合物的制备方法，其具有以下一项或多项特征：优选地，球磨在真空或非氧化气氛下进行，非氧化气氛可以是惰性气体气氛，例如氩气氛；优选地，球磨的转速为300～800r/min，例如500r/min；优选地，球磨的时间为1～3小时，例如2小时；优选地，磨球直径为3～8mm，例如5mm；优选地，磨球的材质为ZrO2；优选地，原料Si或原料Ge与磨球的质量比为1:15～25，例如1:20。在一个实施方案中，本专利技术任一项的多孔材料，或本专利技术任一项的组合物作为电极材料的用途；优选地，所述电极材料是锂离子电池负极材料。本专利技术又一方面提供一种电极材料，其包括本专利技术任一项所述的多孔材料、或者本专利技术任一项所述的组合物；优选地，所述电极材料是锂离子电池负极材料。本专利技术又一方面提供一种电池，其包括本专利技术任一项的多孔材料或本专利技术任一项的组合物；优选地，所述电池的负极材料包括本专利技术任一项的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔材料，其含有M单质，M为Si和/或Ge；所述多孔材料的粒度为20～150nm，孔隙率为0.2～0.8，比表面积为15～300m2/g。

【技术特征摘要】
1.一种多孔材料，其含有M单质，M为Si和/或Ge；所述多孔材料的粒度为20～150nm，孔隙率为0.2～0.8，比表面积为15～300m2/g。2.权利要求1的多孔材料，其具有以下一项或多项特征，优选地，该多孔材料的粒度为50～150nm，例如50～130nm，例如50～110nm，例如60～100nm，再例如70～90nm；优选地，该多孔材料的孔隙率为0.3～0.8，例如0.4～0.8，例如0.5～0.8，例如0.6～0.7；优选地，该多孔材料的比表面积为40～300m2/g，再例如100～300m2/g，再例如150～300m2/g，再例如200～300m2/g，再例如230～300m2/g，再例如230～270m2/g，再例如240～260m2/g；优选地，该多孔材料的表观密度为0.5～2.2g/cm3，例如0.5～2g/cm3，例如0.5～1.5g/cm3，例如0.6～1.1g/cm3，例如0.6～0.8g/cm3；优选地，该多孔材料的孔径分布曲线在10～50nm有特征峰，例如在5～15nm有特征峰，再例如在15～25nm有特征峰，再例如在25～35nm有特征峰；优选地，该多孔材料的孔径分布曲线上只有一个特征峰；优选地，该多孔材料的40～50万倍TEM照片中，能够观察到多孔结构(例如泡沫状多孔结构)；优选地，该多孔材料含有50重量％以上的M单质；优选地，该多孔材料含有90重量％以上的M单质；优选地，该多孔材料含有99重量％以上的M单质；优选地，M为Si。3.一种制备多孔材料的方法，其包括：i)球磨原料M单质与氧化剂的混合物，获得M的氧化物；M为Si和/或Ge；ii)热处理M的氧化物；iii)酸洗热处理后的M的氧化物；优选地，所述多孔材料为权利要求1或2的多孔材料。4.根据权利要求3所述的方法，步骤i)具有以下一项或多项特征：优选地，原料M单质的纯度大于约99.5％，优选大于99.9％；优选地，原料M单质的形状为球状、类球状、块状、类块状、棒状或不规则形状；优选地，原料M单质的体积为1～10mm3，优选为3～7mm3；优选地，原料M单质与所述氧化剂的摩尔比为1:0.8～1.8，例如1:1.0～1.5，再例如1:1.2～1.4。5.权利要求3的所述的方法，步骤i)具有以下一项或多项特征：优选地，所述氧化剂包括水；优选地，球磨在真空或非氧化气氛下进行，非氧化气氛可以是惰性气体气氛，例如氩气氛；优选地，球磨的转速为500～2000r/min，例如800～1200r/min；优选地，球磨使用的磨球直径为1～5mm，例如3～4mm；优选地，球磨使用的磨球的材质为ZrO2；优选地，球磨的料球质量比为1:20；优选地，球磨的时间为1～5小时，例如3～4小时。6.根据权利要求3所述的方法，步骤i)具有以下一项或多项特征：优选地，所述M的氧化物为MOx，x＝0.2～1.8(例如x＝0.5～1.7，例如x＝1.0～1.6，再例如x＝1.2～1.4)；优选地，所述M的氧化物为非晶材料；优选地，所述M的氧化物为粒度为50～200nm，例如5...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱嘉，宗麟奇，刘畅，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32