一种动力电池所用高容量硅碳负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅碳复合负极材料及其制备方法，涉及电池材料制备领域，尤其涉入锂离子电池的负极材料领域，其特征是：按比例采用二氧化硅微米球、沥青制备成二氧化硅/中空碳球，二氧化硅微米球采用二氧化硅纳米球、去离子水、十六烷基三甲基溴化铵、无水乙醇、浓氨水、正硅酸乙酯制备而成：二氧化硅纳米球采用无水乙醇、浓氨水、去离子水、正硅酸乙酯制备而成；本发明专利技术解决了目前硅碳负极膨胀率高、首次效率低等方面存在的不足的问题，制备出微米级二氧化硅中空碳球，具有克容量高、首次效率高及其循环性能优异的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种动力电池所用高容量硅碳负极材料及其制备方法
本专利技术涉及电池材料制备领域，尤其涉入锂离子电池的负极材料领域。。
技术介绍
石墨负极材料是组成锂离子电池的关键材料，并以其循环性能好、稳定性强、价格低廉及其与电解液相容性高等优点而成为负极材料的首要选择，但是为了满足市场对高能量密度电池的需求，目前的负极材料在克容量、倍率性能等参数已经无法满足市场化锂离子电池对负极材料的要求，因此开发出高容量的负极材料显得非常紧迫，而目前的高容量负极材料而又以硅碳负极材料技术相对成熟，但是硅碳负极由于在充放电过程中体积膨胀较大，造成其循环性能下降较快。针对硅碳负极存在的缺点，国内研究者主要通过硅材料表面包覆等措施降低硅材料的膨胀，比如专利（CN105118974A）提供了一种硅基负极材料及其制备方法，其由于引入碳纳米纤维制降低硅纳米颗粒的体积膨胀，避免了硅颗粒破碎和SEI膜重复生成的现象，提高了负极材料的机械强度，但是其存在膨胀率高、制备过程复杂、稳定性差、工艺复杂及其难以产业化。而中空碳球以其比表面积大，密度小，热稳定性好，力学强度高，导电性优良等优点，而应用于锂离子电池、超级电容器等领域，如包覆在硅材料表面不但可以降低材料的膨胀率，而且又可以提高其导电性，应用在负极材料改性领域则是一种不错的选择。
技术实现思路
本专利技术一种动力电池所用高容量硅碳负极材料及其制备方法，解决了目前硅碳负极膨胀率高、首次效率低等方面存在的不足的问题，制备出微米级二氧化硅/中空碳球复合材料，具有克容量高、首次效率高及其循环性能优异的特点。一种动力电池所用高容量硅碳负极材料，是按比例采用200~500g二氧化硅微米球、200~1000g沥青制备成二氧化硅/中空碳球复合材料，所述的二氧化硅微米球采用以下材料按比例制备而成：100~300mg二氧化硅纳米球、40~80ml去离子水、120~360mg十六烷基三甲基溴化铵、20~30ml无水乙醇、0.5~2ml浓氨水、0.5~1ml正硅酸乙酯；所述的二氧化硅纳米球采用以下材料按比例制备而成：50~150ml无水乙醇、4~8ml浓度为25%的氨水、1~3ml去离子水、1~5ml的正硅酸乙酯TEOS。制备过程为：步骤①二氧化硅纳米球的制备：取50~150ml无水乙醇、4~8ml浓度为25%的氨水和1~3ml去离子水，混合均匀后，在搅拌的状态下加入1~5ml的正硅酸乙酯TEOS，室温搅拌6h，用去离子水和无水乙醇分别对沉淀物进行离心洗涤，所得二氧化硅球在90℃烘箱内烘干得到二氧化硅纳米球步骤②二氧化硅微米球的制备：取步骤①所制100~300mg二氧化硅纳米球分散到40~80ml去离子水中超声0.5~2h，再分别加入120~360mg十六烷基三甲基溴化铵CTAB搅拌20~60min、之后添加20~30ml的无水乙醇和0.5~2ml浓氨水搅拌10min，最后加入0.5~1ml正硅酸乙酯，室温搅拌6h，抽虑，用去离子水和无水乙醇对沉淀物进行离心洗涤，在烘箱内90℃烘干，得到球形二氧化硅微米球；步骤③二氧化硅/中空碳球前驱材料的制备：称取200~500g二氧化硅微米球和200~1000g沥青置于两个刚玉舟中，将沥青置于进口处，二氧化硅微米球置于恒温区，开始前首先对管式炉进行抽真空以除去里面的空气，在氮气流速30mL/min，升温速率为4~6℃/min，从室温升至800~1000℃，恒温2~4h，自然冷却至室温，收集黑色粉末产物，将得到的黑色粉末浸泡在浓度为10%的氢氟酸中静置12h，然后抽虑、洗涤至滤液呈中性，干燥得到二氧化硅/中空碳球前驱材料；步骤④二氧化硅/中空碳球的制备：将步骤③得到的二氧化硅/中空碳球前驱材料置于FOSS坩埚的顶部，将FOSS坩埚放置于聚四氟乙烯内衬里，并在下面放一个盛有浓硝酸2ml的称量瓶。高压反应釜密封后，在150~200℃保持3~5h，自然冷却至室温，用蒸馏水将样品洗涤至中性，干燥，最后得到二氧化硅/中空碳球，即为制备出的硅碳负极材料。有益效果：1）在碱性条件下正硅酸乙酯(TEOS)水解得到了大小均一，单分散，大约直径在200nm二氧化硅纳米球。后经十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)对其进行修饰后，重新在二氧化硅的表面水解TEOS。最终得到具有核壳结构的SiO2@m-SiO2/CTAB球，即二氧化硅微米球，直径约为1500nm。之后以石油沥青为碳源，二氧化硅微米球为模板，CVD法进行碳沉积制备出中空碳球，同时可以根据调节CTAB和TEOS的用量，我们制备出不同壳厚度的中空碳球，做到对材料的精确、可控制备。2）经过硝酸处理后处理的中空碳球，改善表面的疏水性，增加吸液能力；同时碳球的外层为不间断的石墨化碳层，它不但可以提供更多储锂位点，还可以提高材料的导电性，有利于电子的传输。在SEI膜的形成过程中，含氧官能团可以与锂离子发生反应：C=O+Li++e-→C-OLi，使得生成的SEI膜更加致密，可以阻止电解液溶剂分子进入微观结构中，而锂离子可以自由通过。碳球内层的无序碳结构比石墨化碳层具有更多的内腔和纳米孔道，更有利于锂离子的储存，并最终提高负极材料的首次效率和循环性能。附图说明图1、实施例1制备出的材料的SEM图片。具体实施方式实施例1步骤①二氧化硅纳米球的制备：取100ml无水乙醇、6ml浓度为25%的氨水和2ml去离子水，混合均匀后，在搅拌的状态下加入3ml的正硅酸乙酯TEOS，室温搅拌6h，用去离子水和无水乙醇分别对沉淀物进行离心洗涤，所得二氧化硅球在90℃烘箱内烘干得到二氧化硅纳米球步骤②二氧化硅微米球的制备：取步骤①所制200mg二氧化硅纳米球分散到60ml去离子水中超声1h，再分别加入240mg十六烷基三甲基溴化铵CTAB搅拌40min、之后添加25ml的无水乙醇和1ml浓氨水搅拌10min，最后加入0.8ml正硅酸乙酯，室温搅拌6h，抽虑，用去离子水和无水乙醇对沉淀物进行离心洗涤，在烘箱内90℃烘干，得到球形二氧化硅微米球；步骤③二氧化硅中空碳球前驱材料的制备：称取300g二氧化硅微米球和500g沥青置于两个刚玉舟中，将沥青置于进口处，二氧化硅微米球置于恒温区，开始前首先对管式炉进行抽真空以除去里面的空气，在氮气流速30mL/min，升温速率为5℃/min，从室温升至900℃，恒温3h，自然冷却至室温，收集黑色粉末产物，将得到的黑色粉末浸泡在浓度为10%的氢氟酸中静置12h，然后抽虑、洗涤至滤液呈中性，干燥得到二氧化硅中空碳球前驱材料；步骤④二氧化硅中空碳球的制备：将步骤③得到的二氧化硅中空碳球前驱材料置于FOSS坩埚的顶部，将FOSS坩埚放置于聚四氟乙烯内衬里，并在下面放一个盛有浓硝酸2ml的称量瓶。高压反应釜密封后，在180℃保持3~5h，自然冷却至室温，用蒸馏水将样品洗涤至中性，干燥，最后得到二氧化硅中空碳球，即为制备出的硅碳负极材料。实施例2步骤①二氧化硅纳米球的制备：取50ml无水乙醇、4ml浓度为25%的氨水和1ml去离子水，混合均匀后，在搅拌的状态下加入1ml的正硅酸乙酯TEOS，室温搅拌6h，用去离子水和无水乙醇分别对沉淀物进行离心洗涤，所得二氧化硅球在90℃烘箱内烘干得到二氧化硅纳米球步骤②二氧化硅微米球的制备：取步骤①所制100mg二氧化硅纳米球分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动力电池所用高容量硅碳负极材料，其特征是，按比例采用200~500g二氧化硅微米球、200~1000g沥青制备成二氧化硅/中空碳球，所述的二氧化硅微米球采用以下材料按比例制备而成：100~300mg二氧化硅纳米球、40~80ml去离子水、120~360mg十六烷基三甲基溴化铵、20~30ml无水乙醇、0.5~2ml浓氨水、0.5~1ml 正硅酸乙酯；所述的二氧化硅纳米球采用以下材料按比例制备而成：50~150ml无水乙醇、4~8ml浓度为25%的氨水、1~3ml去离子水、1~5ml 正硅酸乙酯TEOS。

【技术特征摘要】
1.一种动力电池所用高容量硅碳负极材料，其特征是，按比例采用200~500g二氧化硅微米球、200~1000g沥青制备成二氧化硅/中空碳球，所述的二氧化硅微米球采用以下材料按比例制备而成：100~300mg二氧化硅纳米球、40~80ml去离子水、120~360mg十六烷基三甲基溴化铵、20~30ml无水乙醇、0.5~2ml浓氨水、0.5~1ml正硅酸乙酯；所述的二氧化硅纳米球采用以下材料按比例制备而成：50~150ml无水乙醇、4~8ml浓度为25%的氨水、1~3ml去离子水、1~5ml正硅酸乙酯TEOS。2.一种动力电池所用高容量硅碳负极材料制备方法，其特征是，采用以下步骤制备而成：步骤①二氧化硅纳米球的制备：取50~150ml无水乙醇、4~8ml浓度为25%的氨水和1~3ml去离子水，混合均匀后，在搅拌的状态下加入1~5ml的正硅酸乙酯TEOS，室温搅拌6h，用去离子水和无水乙醇分别对沉淀物进行离心洗涤，所得二氧化硅球在90℃烘箱内烘干得到二氧化硅纳米球步骤②二氧化硅微米球的制备：取步骤①所制100~300mg二氧化硅纳米球分散到40~80ml去离子水中超声0.5~2h，再分别加入120~360mg十六烷基三甲基...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛永，谢志懋，
申请(专利权)人：内蒙古欣源石墨烯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：内蒙古,15