一种硅基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术属于硅基材料技术领域，具体涉及一种硅基复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1，将纳米硅材料加入至无水乙醇中，然后加入硅烷偶联剂搅拌均匀，形成硅分散液；步骤2，将活性炭加入至聚丙烯酸纳水溶液中超声10‑20min，取出后微热烘干活性炭包裹颗粒；步骤3，将活性炭包裹颗粒加入至硅分散液中然后快速取出烘干，得到硅基覆盖颗粒；步骤4，在硅基覆盖颗粒表面喷涂酚醛树脂液，烘干后得到多层包覆颗粒；步骤5，将多层包覆颗粒加入至反应釜中还原反应2‑5h，然后进行氮气碳化反应3‑8h，冷却后恒压恒温静置20‑40min，得到硅基复合材料。本发明专利技术解决了硅体积膨胀的问题，对硅材料形成致密型固化，同时也能有效的抑制硅的膨胀，具有循环稳定性好的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种硅基复合材料的制备方法
本专利技术属于硅基材料
，具体涉及一种硅基复合材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池具有能量密度高、使用寿命长和无环境污染等优势，已广泛用于3C领域。近年来开始在动力汽车领域得到广泛发展。随着新能源汽车市场高速发展，对电池的能量密度要求也越来越高，传统的石墨负极已经接近理论值，难以进一步提高，为满足新能源汽车市场发展，新的正负极材料急需开发。硅基材料理论比容量为4200mAh/g，是比容量最高的材料之一。硅来源丰富，地壳中硅元素含量高居第二位，对环境友好，且硅在嵌锂和脱锂反应中电压平台低，不会在表面析锂，安全性好。但是硅也有很明显的缺点，硅是半导体材料，电导率低；此外，硅循环过程中体积膨胀变化巨大，易发生粉化、活性物质与集流体失去电接触，甚至进一步从集流体脱落，最终造成循环性能的严重衰减。另外，膨胀导致形成的SEI膜破裂，暴露出新的界面，继续形成新的SEI膜，导致循环之后硅颗粒外层的SEI膜越来越厚，最终阻隔了锂离子的嵌入。为解决硅体积膨胀问题，本领域技术人员通过各种各样方法对硅进行改性，包括对硅纳米化、合金化、多孔化以及将硅分散于各种网络体系中等等。这些方法都能在一定程度上对硅循环性能加以改善，但是依然存在很多问题，如长循环性能不佳，膨胀过大等问题。CN102306757B公开了一种锂离子电池硅石墨烯复合负极材料的制备方法，所述锂离子电池硅石墨烯复合负极材料由10-99％的硅粉、1-90％的石墨烯和0-40％的无定形碳组成，所述锂离子电池硅石墨烯复合负极材料的制备方法为：首先进行第一步：将硅粉和氧化石墨烯均匀分散在溶剂中，分散均匀，然后进行喷雾干燥，进口温度在120-220℃，出口温度在80-140℃，除去溶剂，然后将其置于高温炉中，通入保护其体，升温至500-1100℃进行高温退火，保温1-24h，使氧化石墨烯发生还原，冷却至室温，然后进行第二步：将制得的物质置于高温炉中，在保护气体中升温至600-1100℃，然后由保护气体载入气态碳源或液态碳源，保温1-12h，得到锂离子电池硅石墨烯复合负极材料；第二步也可以这样操作：将第一步得到的物质和固态碳源一起通过超声处理和搅拌使其均匀分散在溶剂中，蒸干溶剂，转移到高温炉内，在保护性气体中升温至600-1100℃，保温1-12h，得到锂离子电池硅石墨烯复合负极材料。该专利技术制备得到的复合负极材料具有优秀的循环性能，以金属锂片为对电极，将该专利技术的锂离子电池硅石墨烯复合负极材料组装成电池进行测试，表现出了562-1525mAh/g的首次可逆容量，首次库伦效率为42-70％。但是，其首次库伦效率很低均在70％以下，而且其制备方法繁琐，不利用工业化生产，严重影响了其实际应用。因此，如何更加有效缓解硅体积膨胀，保证硅负极循环稳定性，获得高比容量、长循环寿命的硅负极材料，是当前锂电池领域亟待解决的技术热点。
技术实现思路
针对现有技术中的问题，本专利技术提供一种硅基复合材料的制备方法，解决了硅体积膨胀的问题，对硅材料形成致密型固化，同时也能有效的抑制硅的膨胀，具有循环稳定性好的特点。为实现以上技术目的，本专利技术的技术方案是：一种硅基复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1，将纳米硅材料加入至无水乙醇中，然后加入硅烷偶联剂搅拌均匀，形成硅分散液；步骤2，将活性炭加入至聚丙烯酸纳水溶液中超声10-20min，取出后微热烘干活性炭包裹颗粒；步骤3，将活性炭包裹颗粒加入至硅分散液中然后快速取出烘干，得到硅基覆盖颗粒；步骤4，在硅基覆盖颗粒表面喷涂酚醛树脂液，烘干后得到多层包覆颗粒；步骤5，将多层包覆颗粒加入至反应釜中还原反应2-5h，然后进行氮气碳化反应3-8h，冷却后恒压恒温静置20-40min，得到硅基复合材料。所述步骤1中的纳米硅材料在无水乙醇中的浓度为30-60g/L，所述硅烷偶联剂的加入量是纳米硅材料质量的50-70％，所述搅拌均匀的搅拌速度为500-700r/min。所述步骤2中的活性炭的加入量是纳米硅材料质量的70-100％，所述聚丙烯酸钠水溶液的浓度为0.03-0.06mol/L，所述超声的超声频率为30-50kHz。所述步骤2中的微热烘干的温度为100-110℃。所述步骤3中的烘干温度为80-90℃。所述步骤4中的酚醛树脂液在颗粒表面的喷涂量是0.02-0.04mg/cm2，烘干温度为80-100℃。所述步骤5中的还原反应采用氢气氛围，温度为300-500℃。所述步骤5中的氮气碳化反应的温度为700-800℃。所述步骤5中的恒温恒压静置的压力为0.04-0.06Mpa，温度为150-200℃。步骤1将纳米硅材料和硅烷偶联剂加入至无水乙醇中，并且在搅拌均匀后形成良好的硅分散体系。步骤2将活性炭加入至聚丙烯酸钠水溶液能够形成悬浊液体系，并且利用活性炭的多孔性与吸附性能够将聚丙烯钠吸附至多孔结构内，形成良好的缝隙填补效果，然后在微热条件下进行烘干，由于形成低温烘干，聚丙烯酸钠内含有水分子，在活性炭表面形成薄膜层。步骤3将活性炭包裹颗粒在硅分散液中浸泡，取出后表面形成硅基薄膜，并且在烘干后形成均匀的表面硅材料层。步骤4将表面均匀涂覆酚醛树脂，并且形成一层超薄的树脂层，形成多层结构。步骤5将多层包覆颗粒在反应釜中进行还原反应将硅烷偶联剂转化为硅材料，且硅烷偶联剂将纳米硅缝隙填补后转化为硅材料，形成完成的硅层结构，且反应过程中聚丙烯酸钠中的水分受热损失，形成致密性结构，将硅层与活性炭形成表面接触，外表面与酚醛树脂紧密接触；在氮气条件下碳化反应，在硅层内外形成结构稳固的碳层，对纳米硅材料的位置与结构起到良好的固定作用。从以上描述可以看出，本专利技术具备以下优点：1.本专利技术解决了硅体积膨胀的问题，对硅材料形成致密型固化，同时也能有效的抑制硅的膨胀，具有循环稳定性好的特点。2.本专利技术采用硅烷偶联剂作为纳米硅材料之间的连接剂，不仅形成良好的稳定结构，而且后期通过还原反应形成硅材料。3.本专利技术在硅层内表面和外表面形成良好的夹层结构，能够大大提升硅与碳的复合性，有效的提升其稳定性和循环性，同时也体现出良好的高比热量。具体实施方式结合实施例详细说明本专利技术，但不对本专利技术的权利要求做任何限定。实施例1一种硅基复合材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1，将纳米硅材料加入至无水乙醇中，然后加入硅烷偶联剂搅拌均匀，形成硅分散液；步骤2，将活性炭加入至聚丙烯酸纳水溶液中超声10min，取出后微热烘干活性炭包裹颗粒；步骤3，将活性炭包裹颗粒加入至硅分散液中然后快速取出烘干，得到硅基覆盖颗粒；步骤4，在硅基覆盖颗粒表面喷涂酚醛树脂液，烘干后得到多层包覆颗粒；步骤5，将多层包覆颗粒加入至反应釜中还原反应2h，然后进行氮气碳化反应3h，冷却后恒压恒温静置20min，得到硅基复合材料。所述步骤1中的纳米硅材料在无水乙醇中的浓度为30g/L，所述硅烷偶联剂的加入量是纳米硅材料质量的50％，所述搅拌均匀的搅拌速度为500r/min。所述步骤2中的活性炭的加入量是纳米硅材料质量的70％，所述聚丙烯酸钠水溶液的浓度为0.03mol/L，所述超声的超声频率为30kHz。所述步骤2中的微热烘干的温度为100℃。所述步骤3中的烘干温度为80℃。所述步骤4中的酚醛树脂液在颗粒表面的喷涂量是0.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅基复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，将纳米硅材料加入至无水乙醇中，然后加入硅烷偶联剂搅拌均匀，形成硅分散液；步骤2，将活性炭加入至聚丙烯酸纳水溶液中超声10‑20min，取出后微热烘干活性炭包裹颗粒；步骤3，将活性炭包裹颗粒加入至硅分散液中然后快速取出烘干，得到硅基覆盖颗粒；步骤4，在硅基覆盖颗粒表面喷涂酚醛树脂液，烘干后得到多层包覆颗粒；步骤5，将多层包覆颗粒加入至反应釜中还原反应2‑5h，然后进行氮气碳化反应3‑8h，冷却后恒压恒温静置20‑40min，得到硅基复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种硅基复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，将纳米硅材料加入至无水乙醇中，然后加入硅烷偶联剂搅拌均匀，形成硅分散液；步骤2，将活性炭加入至聚丙烯酸纳水溶液中超声10-20min，取出后微热烘干活性炭包裹颗粒；步骤3，将活性炭包裹颗粒加入至硅分散液中然后快速取出烘干，得到硅基覆盖颗粒；步骤4，在硅基覆盖颗粒表面喷涂酚醛树脂液，烘干后得到多层包覆颗粒；步骤5，将多层包覆颗粒加入至反应釜中还原反应2-5h，然后进行氮气碳化反应3-8h，冷却后恒压恒温静置20-40min，得到硅基复合材料。2.根据权利要求1所述的一种硅基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中的纳米硅材料在无水乙醇中的浓度为30-60g/L，所述硅烷偶联剂的加入量是纳米硅材料质量的50-70％，所述搅拌均匀的搅拌速度为500-700r/min。3.根据权利要求1所述的一种硅基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中的活性炭的加入量是纳米硅材料质量的70-100％...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄俊杰，
申请(专利权)人：绍兴文理学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33