一种Si/C纳米复合阳极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，将酚醛树脂作为碳源加入到丙酮中，不断搅拌直到变成乳白色，之后向混合乳液中加入硅纳米颗粒，将得到的混合溶液进行超声，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，并在60℃真空下进行提取和干燥，得到Si/C纳米复合前驱体；将其在惰性气氛下进行热解，热解温度为800～1000℃，热解时间4～5h，冷却至室温后，将热解产物进行研磨到微米级，得到Si/C纳米复合阳极材料。本发明专利技术采用酚醛树脂作为碳源，结合超声法制备含纳米硅的多孔炭，碳的孔隙和碳层之间丰富的空间为碳和锂离子的反应提供了更多的界面，从而大大提高硅的电化学性能，减少容量下降，经测试比容量高达880mA h g‑1，电流密度为100mA g‑1，循环500次后仍有容量保持率。

【技术实现步骤摘要】
一种Si/C纳米复合阳极材料及其制备方法和应用
本专利技术属于锂离子电池
，特别涉及一种Si/C纳米复合阳极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
锂离子电池的发展一直备受关注，但市场上现有的石墨烯材料作为电池电极其电容量十分有限(在100mA/g的电流密度下电容量大约为370mAh/g)。人们已经研究了许多具有改性结构的前体以改善阳极材料的性能，而硅基聚合物陶瓷(PDC)材料是一种比较好的候选材料(理论电容量在4000mAh/g左右)。但是硅基电极在充放电的过程会发生体积的膨胀，导致其表面破碎从而使其量迅速降低。这限制了硅基正极材料的广泛应用。使用双掺杂的石墨烯(NSGs)可以有效提升电极的性能，这是由于掺杂石墨烯中杂原子的协同作用。对石墨烯片的掺杂方法有两种，一种是对石墨烯前体用带有活性杂原子的物质处理如硼烷、氨、离子液体和三苯基膦。另一种方法是让杂原子和石墨烯进行高温热转化，使得杂原子进入到碳骨架中。但是这些方法会使处理过的石墨烯发生聚集现象从而降低其性能。由于现有方法合成的的硅电极材料合成方法复杂，合成成本高，不利于大规模生产，且在充放电过程中会发生体积变化使得电容密度下降。因此，提供一种容量保持率高、固有电导率高低、制备方法简单、可大规模生产的硅/碳纳米复合材料阳极及其制备方法是非常有必要的。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，包括如下步骤：S1：以酚醛树脂为碳源，将酚醛树脂按照料液比3～5g：100ml的比例加入到丙酮中，不断搅拌直到变成乳白色，之后向混合乳液中加入硅纳米颗粒，所添加的硅纳米颗粒与酚醛树脂的质量比为1：3～5，将得到的混合溶液在40～45℃下超声2～3小时，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，并在60℃真空下进行提取和干燥，得到Si/C纳米复合前驱体；S2：将所述Si/C纳米复合前驱体置于管式炉中，在惰性气氛下进行热解，热解温度为800～1000℃，热解时间4～5h，之后冷却至室温，将热解产物进行研磨到微米级，得到所述Si/C纳米复合阳极材料。优选地，所述酚醛树脂的具备制备过程如下：将苯酚、37％甲醛和草酸充分溶解在水溶剂中，得到混合溶液，将混合溶液在常温进行回流反应，反应时间为0.5～1h；然后向反应产物中加入一定量的水进行沉淀，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时，得到聚合物，将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，即得到所述酚醛树脂；其中，每升水溶剂中溶解有100mol的苯酚，85mol的37％甲醛，10mol的草酸。更优选地，对所述酚醛树脂进行热解的升温速率为5℃/min。优选地，所述Si/C纳米复合阳极材料的尺寸为20～30μm。本专利技术还提供了上述任一方法制备得到的Si/C纳米复合阳极材料。本专利技术还提供了上述Si/C纳米复合阳极材料在锂离子电池中的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术采用酚醛树脂作为碳源，结合超声法制备含纳米硅的多孔炭，碳的孔隙和碳层之间丰富的空间不仅为碳和锂离子的反应提供了更多的界面，有利于电子传输，且制备的碳提供了多孔的活性位点，在锂化和脱锂的循环过程中，可以使硅纳米颗粒在其孔隙中膨胀；包裹在孔隙中的纳米颗粒的尺寸小于孔隙的体积，从而为循环过程中的体积变化提供了缓冲空间。电荷载体可以通过导电碳源有效快速地从硅纳米颗粒中来回传导到受电体；Si/C纳米复合材料的相互作用也为Si纳米粒子提供了良好的超声波分散性，从而大大提高硅的电化学性能，减少容量下降。Si/C纳米复合材料比容量高达880mAhg-1，电流密度为100mAg-1，循环500次后仍有容量保持率。(2)同时本专利技术提供的材料是纳米结构核壳复合材料硅是高度分散在酚醛树脂凝胶中的，其简便的合成方法，容易量产并且能在硅表面形成的均匀酚醛树脂层，采用纳米技术为电化学循环提供了膨胀空间，解决了批量生产的问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例中硅纳米粒子的酚醛树脂界面涂层的制备原理图；图2为本专利技术实施例2(C5)的扫描电子显微镜图；图3为本专利技术对比例2(C2)和实施例2(C5)的透射电子显微镜图；图4为本专利技术对比例1-3(C1、C2、C3)和实施例1-3(C4、C5、C6)的X射线衍射图；图5为本专利技术对比例1-3(C1、C2、C3)和实施例1-3(C4、C5、C6)的傅里叶变换红外光谱图，以及酚醛树脂和Si/C纳米复合材料的热重分析图；图6为本专利技术实施例2(C5)的孔径分布图；图7为本专利技术实施例2(C5)的平均孔径；图8为本专利技术对比例1-3(C1、C2、C3)和实施例1-3(C4、C5、C6)的光电子能谱图(a)；图9为本专利技术实施例1～3以及对比例1～3制备的Si/C纳米复合阳极材料的电化学性能测试图。具体实施方式为了使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。除非另有定义，下文中所用是的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本专利技术的保护范围。实施例1将1mol苯酚(94g)，0.85mol的甲醛37％(0.69g)和0.1mol的草酸(1.45g)溶解在10ml去离子水中，得到混合溶液，将混合溶液加入250ml带有磁力搅拌棒、回流冷凝器、温度计的三颈瓶中，在不断搅拌的情况下加热回流1小时，然后加入30ml进行沉淀，之后倒掉上层，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时；将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，通过这种方法得到提纯的聚合物，得到酚醛树脂。将3g的酚醛树脂混合在100毫升的丙酮中，然后不断搅拌直到变成乳白色，之后在溶液中加入1g的硅纳米颗粒，将淡黄色溶液在40℃下超声3小时，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，在60℃真空下将合成的碳化硅进行提取、干燥，得到Si/C纳米复合前驱体。取上述Si/C纳米复合前驱体4g转移到管式炉中，在800℃氩气保护的情况下热解，升温速率：5℃/min，保温时间5小时；之后冷却到室温，将得到的Si/C纳米复合阳极材料机械研磨并筛选到20μm。上述Si/C纳米复合阳极材料的合成工艺如图1所示。实施例2将1mol苯酚(94g)，0.85mol的甲醛37％(0.69g)和0.1mol的草酸(1.45g)溶解在10ml去离子水中，得到混合溶液，将混合溶液加入250ml带有磁力搅拌棒、回流冷凝器、温度计的三颈瓶中，在不断搅拌的情况下加热回流1小时，然后加入30ml进行沉淀，之后倒掉上层，取下层物质在120℃下减压蒸馏1小时；将聚合物用乙醇溶解，再用蒸馏水沉淀，通过这种方法得到提纯的聚合物，得到酚醛树脂。将3g的上述酚醛树脂混合在100毫升的丙酮中，然后不断搅拌直到变成乳白色，之后在溶液中加入1g的硅纳米颗粒，将淡黄色溶液在40℃下超声3小时，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，在60℃真空下将合成的碳化硅进行提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：以酚醛树脂为碳源，将酚醛树脂按照料液比3～5g：100ml的比例加入到丙酮中，不断搅拌直到变成乳白色，之后向混合乳液中加入硅纳米颗粒，所添加的硅纳米颗粒与酚醛树脂的质量比为1：3～5，将得到的混合溶液在40～45℃下超声2～3小时，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，并在60℃真空下进行提取和干燥，得到Si/C纳米复合前驱体；S2：将所述Si/C纳米复合前驱体置于管式炉中，在惰性气氛下进行热解，热解温度为800～1000℃，热解时间4～5h，之后冷却至室温，将热解产物进行研磨到微米级，得到所述Si/C纳米复合阳极材料。

【技术特征摘要】
1.一种Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：以酚醛树脂为碳源，将酚醛树脂按照料液比3～5g：100ml的比例加入到丙酮中，不断搅拌直到变成乳白色，之后向混合乳液中加入硅纳米颗粒，所添加的硅纳米颗粒与酚醛树脂的质量比为1：3～5，将得到的混合溶液在40～45℃下超声2～3小时，之后连续搅拌24h，将溶液蒸干，并在60℃真空下进行提取和干燥，得到Si/C纳米复合前驱体；S2：将所述Si/C纳米复合前驱体置于管式炉中，在惰性气氛下进行热解，热解温度为800～1000℃，热解时间4～5h，之后冷却至室温，将热解产物进行研磨到微米级，得到所述Si/C纳米复合阳极材料。2.根据权利要求1所述的Si/C纳米复合阳极材料的制备方法，其特征在于，所述酚醛树脂的具备制备过程如下：将苯酚、37...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗贺斌，孔杰，王旭东，唐玉生，
申请(专利权)人：北京蓝海黑石科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11