一种掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备方法，经过硅浆料的制备、多巴胺包覆的硅碳材料的制备、前驱体粉末的制备和热处理步骤，完成掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备；本发明专利技术采用多巴胺为硅碳材料包覆碳源，通过三羟甲基氨基甲烷调整溶液pH，多巴胺在碱性溶液中自聚为聚多巴胺，包覆在硅碳材料表面，包覆效果均匀，碳包覆层厚度可以通过调节多巴胺用量得到精确控制，以便通过优化达到最佳包覆效果，碳包覆层可以有效缓解纳米硅的体积膨胀，利用多巴胺的还原性，在包覆层外掺杂金属银颗粒，提升材料导电性，减小电极极化，使得材料具有良好的循环性能和倍率性能，本发明专利技术的材料制备过程简单，反应条件温和，操作成本低，适宜工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备方法
本专利技术属于锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池因其显著的优点而广泛应用于电动汽车机各种便携式电子设备等领域，而随着这些储能设备的快速发展，对锂离子电池的性能也提出了更高的要求。要提高锂离子电池的能量密度，主要途径之一是提高负极材料的比容量，硅基负极材料因其高的理论容量（4200mAh/g）而引起广泛关注，成为可替代传统石墨负极的新型负极材料之一，硅材料的主要问题是充放电过程中体积膨胀严重和导电率低，使得活性材料从集流体上剥落，最终导致容量衰减迅速，限制了其实际应用。针对硅材料的这些问题，人们已经进行了一系列的研究，主要从硅纳米化和制备硅碳复合材料入手，硅纳米化可以减小电极内部应力，缩短锂离子迁移路径，硅碳复合材料中的碳可以作为缓冲骨架来减小硅材料的体积效应，这些手段都可以有效提升硅基材料电性能。在硅碳复合材料制备过程中，碳源的选择对最终材料性能有着很大的影响。多巴胺，在碱性环境中可以自聚合为聚多巴胺，其在溶液中可以很好地包覆在其他固体颗粒的表面，并且包覆的厚度可以根据加入多巴胺的量进行灵活调节，是一种理想的碳源，而且多巴胺的还原性以及氮元素掺杂功能增强了其在锂离子电池等储能器件领域的应用。研究表明，结合金属颗粒是提升材料电性能的行之有效的方法，Au、Ag、Fe等元素是常用来掺杂的导电颗粒，硅基材料的导电性很差，除了可以通过添加石墨等碳材料来改善，结合金属粒子也受到广泛研究。专利CN103346305A采用两次包覆工艺和两次喷雾干燥制备了人造石墨为载体的锂离子电池硅碳复合负极材料，表现出首次充放电效率高、比容量高以及循环性能好等优秀的电化学性能，但是制备工艺较为繁琐，而且采用两次喷雾干燥，造成了能源的浪费，不利于工业化生产。专利CN102891297A采用羧甲基纤维素钠为粘结剂，以沥青为碳源利用液相包覆技术进行硅碳复合，同时通过喷雾干燥技术干燥造粒，制备成锂离子电池用硅碳复合材料，此方法因为沥青在水中溶解性低，包覆效果不均匀，对电性能提升有限。专利CN104009210A以稻壳为原料，采用金属热还原和纯化的方法得到具有多孔结构的硅/碳复合材料，以来源丰富、廉价易得的生物质为原料，成本低且制备方法简单，但其制备的复合材料为敞开式结构，电解液可以从孔状结构进入硅碳材料内部，最终导致电极材料结构不稳定和电性能的下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，现提供一种膨胀率低、电导率高、与电解液相容性好、电性能优异的掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备方法，其创新点在于：经过硅浆料的制备、多巴胺包覆的硅碳材料的制备、前驱体粉末的制备和热处理步骤，完成掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备；具体步骤如下：（1）硅浆料的制备：以水为溶剂，向其中加入平均粒径1-50μm的硅粉，加入一定量分散剂，在砂磨机中先粗磨后细磨，砂磨时浆料固含量为5%-15%，粗磨时间1-5h，细磨时间1-4h，砂磨之后硅粉的平均粒径为80-100nm；（2）巴胺包覆的硅碳材料的制备：将三羟甲基氨基甲烷溶解在水中配制成缓冲溶液，向其中加入一定量的盐酸多巴胺，然后向溶液中加入球形石墨，搅拌2-4h，所述搅拌转速为20-60rpm，向其中加入步骤（1）制备的硅浆料，继续搅拌4-8h，所述搅拌转速为40-60rpm，将所得浆料进行喷雾干燥造粒，得到多巴胺包覆的硅碳材料；（3）前驱体粉末的制备：将步骤（2）中干燥得到的硅碳材料溶解在0.5M的硝酸银溶液中，搅拌2-4h，利用多巴胺还原性将Ag+还原成Ag颗粒，离心烘干，得前驱体粉末；（4）热处理：将步骤（3）中得到的前驱体粉末在惰性氛围下热处理，得到掺杂金属银颗粒的多巴胺热解碳包覆的硅碳负极材料，即完成了杂银颗粒的硅碳负极材料的制备。进一步的，所述步骤（1）中的硅粉为单晶硅、多晶硅中的一种，所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮、柠檬酸、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基苯磺酸钠中的一种，所述硅粉和分散剂的质量比为50-100:1，所述粗磨使用的锆球直径为0.8mm，细磨使用的锆球直径为0.1mm。进一步的，所述步骤（2）中的三羟甲基氨基甲烷和盐酸多巴胺的质量比为1：2-4，所述多巴胺和石墨的质量比为1：0.5-4，所述硅浆料中纳米硅与石墨的质量比为1：4-8，加入硅浆料之后浆料的固含量为10-40%。进一步的，所述步骤（2）中的喷雾干燥在闭式循环喷雾干燥机中进行，所述干燥气氛为氮气氛围，所述干燥时进口温度为200-300℃，出口温度为100-120℃，雾化器频率为250-350Hz。进一步的，所述步骤（3）中的硅碳材料与硝酸银溶液中硝酸银质量比为5:1-20:1，优选为8:1-16:1，离心时转速为6000rpm，离心时间为5min，用去离子水清洗三次，再用无水乙醇清洗一次，然后在真空烘箱中80℃干燥烘干。进一步的，所述步骤（4）中的惰性氛围为氮气、氦气、氩气中的一种，所述热处理温度为400-800℃，所述热处理时间为2-8h。本专利技术的有益效果如下：本专利技术采用多巴胺为硅碳材料包覆碳源，通过三羟甲基氨基甲烷调整溶液pH，多巴胺在碱性溶液中自聚为聚多巴胺，包覆在硅碳材料表面，包覆速度快，包覆效果均匀，碳包覆层厚度可以通过调节多巴胺用量得到精确控制，以便通过优化达到最佳包覆效果，碳包覆层可以有效缓解纳米硅的体积膨胀，利用多巴胺的还原性，在包覆层外掺杂金属银颗粒，进一步提升材料的导电性，减小电极极化，使得材料具有良好的循环性能和倍率性能，本专利技术的材料制备过程简单，反应条件温和，操作成本低，适宜工业化生产。附图说明图1为是本专利技术制备的用于锂离子电池负极材料的硅碳复极材料的结构模型图。图2为本专利技术实施例1中制备的硅碳复极材料的首次充放电性能图。图3是本专利技术实施例1中制备的硅碳复极材料的循环性能图。具体实施方式以下由特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效。如图1所示为本专利技术制备的用于锂离子电池负极材料的硅碳复极材料的结构模型图，硅碳负极材料从内向外依次为球形石墨基体1、纳米硅颗粒2、碳包覆层3和金属银颗粒4，球形石墨基体1、纳米硅颗粒2、碳包覆层3和金属银颗粒4之间相互进行固定连接。一种掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备方法，经过硅浆料的制备、多巴胺包覆的硅碳材料的制备、前驱体粉末的制备和热处理步骤，完成掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备；具体步骤如下：（1）硅浆料的制备：以水为溶剂，向其中加入平均粒径1-50μm的硅粉，加入一定量分散剂，在砂磨机中先粗磨后细磨，砂磨时浆料固含量为5-15%，粗磨时间1-5h，细磨时间1-4h，砂磨之后硅粉的平均粒径为80-100nm；（2）巴胺包覆的硅碳材料的制备：将三羟甲基氨基甲烷溶解在水中配制成缓冲溶液，向其中加入一定量的盐酸多巴胺，然后向溶液中加入球形石墨，搅拌2-4h，所述搅拌转速为20-60rpm，向其中加入步骤（1）制备的硅浆料，继续搅拌4-8h，搅拌转速为40-60rpm，将所得浆料进行喷雾干燥造粒，得到多巴胺包覆的硅碳材料；（3）本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：经过硅浆料的制备、多巴胺包覆的硅碳材料的制备、前驱体粉末的制备和热处理步骤，完成掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备；具体步骤如下：（1）硅浆料的制备：以水为溶剂，向其中加入平均粒径1‑50μm的硅粉，加入一定量分散剂，在砂磨机中先粗磨后细磨，砂磨时浆料固含量为5%‑15%，粗磨时间1‑5h，细磨时间1‑4h，砂磨之后硅粉的平均粒径为80‑100nm；（2）巴胺包覆的硅碳材料的制备：将三羟甲基氨基甲烷溶解在水中配制成缓冲溶液，向其中加入一定量的盐酸多巴胺，然后向溶液中加入球形石墨，搅拌2‑4h，所述搅拌转速为20‑60rpm，向其中加入步骤（1）制备的硅浆料，继续搅拌4‑8h，所述搅拌转速为40‑60rpm，将所得浆料进行喷雾干燥造粒，得到多巴胺包覆的硅碳材料；（3）前驱体粉末的制备：将步骤（2）中干燥得到的硅碳材料溶解在0.5M的硝酸银溶液中，搅拌2‑4h，利用多巴胺还原性将Ag+还原成Ag颗粒，离心烘干，得前驱体粉末；（4）热处理：将步骤（3）中得到的前驱体粉末在惰性氛围下热处理，得到掺杂金属银颗粒的多巴胺热解碳包覆的硅碳负极材料，即完成了杂银颗粒的硅碳负极材料的制备。...

【技术特征摘要】
1.一种掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：经过硅浆料的制备、多巴胺包覆的硅碳材料的制备、前驱体粉末的制备和热处理步骤，完成掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备；具体步骤如下：（1）硅浆料的制备：以水为溶剂，向其中加入平均粒径1-50μm的硅粉，加入一定量分散剂，在砂磨机中先粗磨后细磨，砂磨时浆料固含量为5%-15%，粗磨时间1-5h，细磨时间1-4h，砂磨之后硅粉的平均粒径为80-100nm；（2）巴胺包覆的硅碳材料的制备：将三羟甲基氨基甲烷溶解在水中配制成缓冲溶液，向其中加入一定量的盐酸多巴胺，然后向溶液中加入球形石墨，搅拌2-4h，所述搅拌转速为20-60rpm，向其中加入步骤（1）制备的硅浆料，继续搅拌4-8h，所述搅拌转速为40-60rpm，将所得浆料进行喷雾干燥造粒，得到多巴胺包覆的硅碳材料；（3）前驱体粉末的制备：将步骤（2）中干燥得到的硅碳材料溶解在0.5M的硝酸银溶液中，搅拌2-4h，利用多巴胺还原性将Ag+还原成Ag颗粒，离心烘干，得前驱体粉末；（4）热处理：将步骤（3）中得到的前驱体粉末在惰性氛围下热处理，得到掺杂金属银颗粒的多巴胺热解碳包覆的硅碳负极材料，即完成了杂银颗粒的硅碳负极材料的制备。2.根据权利要求1所述的一种掺杂银颗粒的硅碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的硅粉为单晶硅、多晶硅中的一种，所述分散剂为聚乙烯吡咯...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小祝，贺劲鑫，郑媛媛，靳承铀，缪永华，薛驰，
申请(专利权)人：中天储能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32