一种新型碳硅基复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种新型碳硅基复合材料的制备方法及应用，将蔗糖与硅粉相结合，在室温下初步干燥8～12h，然后在氮气气氛条件下于773～1473K煅烧2～3h，得到初级碳‑硅复合材料，将初级碳‑硅复合材料与石墨纤维相结合，得到碳硅基复合材料。本发明专利技术的制备方法成本低、操作简单、原料来源广泛、制备工艺中无有毒气体产生，且制备的碳硅基复合材料在锂电池负极材料应用上性能稳定，表现出优异的循环性能，具有良好的工业应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种新型碳硅基复合材料的制备方法及应用
本专利技术属于锂离子电池材料
，特别涉及一种新型碳硅基复合材料的制备方法及应用。
技术介绍
商用锂离子电池负极材料一般是目前石墨材料依然是负极材料领域的主力军。石墨材料的材料种类较多，包括天然鳞片石墨、人工石墨和纤维状的炭材料(具有石墨结构)等。非可再生的天然鳞片石墨具有天然的石墨结构程度，经过高温处理，可直接作为锂离子电池负极材料。人工石墨一般以天然鳞片石墨为骨料，结合其它材料经热压工艺制备而成。经过长时间的循环，天然鳞片石墨、人工石墨的储锂容量一般维持在～320mAh/g；经过改进处理过的石墨材料的储锂容量能够在短期内，一定程度上接近理论容量水平(372mAh/g；LiC6)。与石墨材料相比，纤维状的炭材料具有潜在的优势。炭纤维是纤维状碳材料，其化学组成成分中碳元素含量在90％以上。炭纤维具有较高的比模量、高导热/电率、耐腐蚀、抗蠕变、低的热膨胀系数等优点，既可以作为结构材料，又可以作为功能材料，广泛应用于汽车制造、桥梁建筑、文体娱乐产品等领域。随着科技的发展，常规石墨负极材料所能提供的比容量已经不能满足动力电源、电子产品等的需求，而且商用石墨材料是以非可再生的天然鳞片石墨为主要原材料制备而成，必然面临石墨资源枯竭的问题，所以急需具有高比容量的负极材料的出现。负极材料中，硅、锗、锡等材料也具有较高的理论储锂容量。其中硅材料具有极高的首次嵌锂比容量，理论计算数值高达4200mAh/g，在室温下仍可达3500mAh/g，这能很好地满足电子产品等对离子电池的要求。但是在合金化-去合金化过程中，硅材料发生剧烈的体积变化，导致硅负极材料结构的破坏，以及电接触的失败，从而降低其循环寿命和比容量。面对消费电子设备快速更新换代，以及电动汽车对延长续航里程的要求，迫切需要大幅度提升电池的能量密度，因此亟需开发新的高性能电池。开发高能量密度、高功率密度和长使用寿命的锂离子电池对发展便携式电子设备及电动汽车具有重要应用意义，而将炭材料与硅材料材料有机的结合起来，取长补短。既缓解了硅的膨胀-收缩效应，又提高材料整体的导电性，从而提高电极材料的循环寿命和高比容量，满足作为锂离子电池负极材料的内在要求，有望超越石墨负极材料的性能，成为新一代锂离子电池负极材料，但是现有的硅基等其它新型锂离子电池负极材料，多数采用苛刻的、高难度的纳米技术制备，产量较低，尚未实现商业化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型碳硅基复合材料的制备方法，并将制备的新型碳硅基复合材料应用在锂离子电池中。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种新型碳硅基复合材料的制备方法，包括如下步骤：S1、将蔗糖加入到蒸馏水中，得到蔗糖水溶液；S2、将硅粉加入到S1得到的蔗糖水溶液中，超声分散均匀，搅拌12～20h，在室温下初步干燥8～12h，得到反应物，其中，S2中所使用的硅粉与S1中蔗糖的质量比例为1:8～20；S3、将S2得到的反应物在保护气氛条件下于773～1473K下煅烧2～3h，经洗涤、离心后，在353K～373K下干燥8～12h，得到初级碳-硅复合材料；S4、将石墨纤维加入到S3得到的初级碳-硅复合材料中，超声分散均匀，搅拌4～8h，干燥，得到碳硅基复合材料，其中，所述初级碳-硅复合材料与石墨纤维的质量比例为1:0.5～3。优选的，S4中，石墨纤维通过如下制备方法制备得到：以沥青为原料，用熔融纺丝方法制备沥青基纤维，然后在热空气气氛下于523K处理30min，接着在惰性气体氛围下于1273K烧结15min，最后在惰性气体氛围下于石墨化温度3073K热处理15min，即得到石墨纤维。优选的，S1中，蔗糖水溶液中蔗糖的浓度为0.005～0.04g/mL。优选的，S3中，保护气体为高纯氮气。优选的，S4中，初级碳-硅复合材料与石墨纤维的质量比例为2:1。本专利技术的另一技术方案是提供一种上述方法制备的新型碳硅基复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术将硅粉与蔗糖结合起来采用高温烧结方法制备得到初级复合材料，原材料成本较低，硅纳米颗粒的来源广泛，在地壳中的含量丰富。蔗糖来源广泛，市场采购非常方便，且制备方法简便，有利于实现产品的低成本化。(2)本专利技术中石墨纤维的原料沥青可以人工合成，避免非可再生资源的限制，原料可源源不断，提高化副产品的附加值，提高化工企业的经济收益。(3)本专利技术中制备的碳硅基复合材料中的石墨纤维具有优异的石墨化程度、优异的微观结构，能够有效的存储/释放锂离子，可作为负极材料的有效增强材料，能够有效的协同存储/释放锂离子。(4)本专利技术制备的碳硅基复合材料作为锂离子电池负极材料，在50mA/g电流密度下，首次可逆容量达到900mAh/g，循环20次后，可逆容量仍然维持在1000mAh/g，循环过程中性能稳定，表现出优异的循环性能。(5)本专利技术的制备工艺中没有出现有毒气体等危害物质，符合绿色、环保、可持续的发展要求。附图说明图1为碳硅基复合材料的透射电镜图。图2为碳硅基复合材料在50mA/g电流密度下首次充放电曲线图。图3为碳硅基复合材料在50mA/g电流密度下循环20次的电化学性能曲线图。具体实施方式下面对专利技术的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本专利技术的保护范围并不受具体实施方式的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。以下实施例中的石墨纤维通过如下具体步骤制备得到：以沥青为原料，用熔融纺丝方法制备沥青基纤维，将制备得到的沥青基纤维在热空气气氛下于523K处理30min，然后在氩气气氛下于1273K烧结15min，最后在惰性氩气体氛围下于石墨化温度3073K热处理15min，即得到石墨纤维。实施例1一种新型碳硅基复合材料的制备方法，具体步骤如下：S1、将8g蔗糖加入到200mL蒸馏水中，得到浓度为0.04g/mL的蔗糖水溶液；S2、将0.1g硅粉加入到20mL的S1得到的蔗糖水溶液中，超声分散均匀，将分散好的溶液置于瓷舟中，搅拌12h，在室温下初步干燥8h，得到反应物；S3、将S2得到的反应物在高纯氮气气氛下于管式炉中1173K下煅烧2h，经洗涤、离心后，在真空干燥箱中于373K下干燥8h，得到初级碳-硅复合材料；S4、将0.1g石墨纤维加入到S3得到的0.1g初级碳-硅复合材料中，在乙醇溶液中超声分散均匀，搅拌4h，于室温下干燥6h，得到碳硅基复合材料。实施例2一种新型碳硅基复合材料的制备方法，具体步骤如下：S1、将3.2g蔗糖加入到200mL蒸馏水中，得到浓度为0.016g/mL的蔗糖水溶液；S2、将0.1g硅粉加入到50mL的S1得到的蔗糖水溶液中，超声分散均匀，将分散好的溶液置于瓷舟中，搅拌15h，在室温下初步干燥12h，得到反应物；S3、将S2得到的反应物在高纯氮气气氛下于管式炉中1123K下煅烧2.5h，经洗涤、离心后，在真空干燥箱中于373K下干燥10h，得到初级碳-硅复合材料；S4、将0.12g石墨纤维加入到S3得到的0.24g初级碳-硅复合材料中，在乙醇溶液中超声分散均匀，搅拌11h，室温下干燥10h，得到碳硅基复合材料。实施例3一种新型碳硅基复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型碳硅基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将蔗糖加入到蒸馏水中，得到蔗糖水溶液；S2、将硅粉加入到S1得到的蔗糖水溶液中，超声分散均匀，搅拌12～20h，在室温下初步干燥8～12h，得到反应物，其中，S2中所使用的硅粉与S1中蔗糖的质量比例为1:8～20；S3、将S2得到的反应物在保护气氛条件下于773～1473K下煅烧2～3h，经洗涤、离心后，在353K～373K下干燥8～12h，得到初级碳‑硅复合材料；S4、将石墨纤维加入到S3得到的初级碳‑硅复合材料中，超声分散均匀，搅拌4～8h，干燥，得到碳硅基复合材料，其中，所述初级碳‑硅复合材料与石墨纤维的质量比例为1:0.5～3。

【技术特征摘要】
1.一种新型碳硅基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将蔗糖加入到蒸馏水中，得到蔗糖水溶液；S2、将硅粉加入到S1得到的蔗糖水溶液中，超声分散均匀，搅拌12～20h，在室温下初步干燥8～12h，得到反应物，其中，S2中所使用的硅粉与S1中蔗糖的质量比例为1:8～20；S3、将S2得到的反应物在保护气氛条件下于773～1473K下煅烧2～3h，经洗涤、离心后，在353K～373K下干燥8～12h，得到初级碳-硅复合材料；S4、将石墨纤维加入到S3得到的初级碳-硅复合材料中，超声分散均匀，搅拌4～8h，干燥，得到碳硅基复合材料，其中，所述初级碳-硅复合材料与石墨纤维的质量比例为1:0.5～3。2.根据权利要求1所述的一种新型碳硅基复合材料的制备方法，其特征在于，S4中，所述石墨纤维通过如下制备方法制备得到：以沥青为原料，用熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立勇，
申请(专利权)人：河北民族师范学院，
类型：发明
国别省市：河北,13