硅碳复合纳米管阵列的制备方法技术

技术编号:22332323 阅读:22 留言:0更新日期:2019-10-19 12:41
本申请公开了一种硅碳复合纳米管阵列的制备方法,属于电池材料领域。该硅碳复合纳米管阵列的制备方法,其特征在于,包括下述步骤:1)将孔径范围为100‑180nm的多孔阳极氧化铝模板进行煅烧;2)在煅烧后进行高温还原反应;3)最后脱除模板剂,干燥,即制得所述硅碳复合纳米管阵列;所述煅烧的程序升温包括:第一煅烧阶段:300‑400℃,保持20‑40min;第二煅烧阶段:500‑600℃,保持30‑50min;第三煅烧阶段:600‑900℃,保持10‑30min;所述高温还原反应包括:第一还原阶段:100‑300℃,保持10‑20min;第二还原阶段:300‑500℃,保持20‑30min;第三还原阶段:500‑800℃,保持10‑15min。该方法制备的硅碳复合纳米管阵列作为锂离子电池的负极材料制备的锂离子电池的比容量高,循环性能好。

【技术实现步骤摘要】
硅碳复合纳米管阵列的制备方法
本申请涉及一种硅碳复合纳米管阵列的制备方法,属于电池材料领域。
技术介绍
锂离子电池的负极是由负极活性物质碳材料或非碳材料、粘合剂和添加剂混合制成糊状胶合剂均匀涂抹在铜箔两侧,经干燥、滚压而成。锂离子电池能否成功地制成,关键在于能否制备出可逆地脱/嵌锂离子的负极材料。一般来说,选择一种好的负极材料应遵循以下原则:比能量高;相对锂电极的电极电位低;充放电反应可逆性好;与电解液和粘结剂的兼容性好;比表面积小(<10m2/g),真密度高(>2.0g/cm3);嵌锂过程中尺寸和机械稳定性好;资源丰富,价格低廉;在空气中稳定、无毒副作用。目前,已实际用于锂离子电池的负极材料一般都是碳素材料,如石墨、软碳(如焦炭等)、硬碳等。正在探索的负极材料有氮化物、PAS、锡基氧化物、锡合金、纳米负极材料,以及其他的一些金属间化合物等。为了解决硅的体积膨胀造成的各种接触问题,科研工作者使用了多种改进方法,典型的方法主要有三类:一、制备纳米尺度的硅材料,如硅纳米颗粒,硅纳米薄膜等减小硅在体积膨胀过程中的应力;二、制备具有空隙结构的硅材料,如多孔硅、硅纳米空壳、硅纳米线阵列、硅纳米管等提供一定的空间容纳硅的膨胀;三、采用一些在充放电过程中体积膨胀比较小、具有良好导电性能的负极材料比如石墨,与硅材料组装成复合的纳米材料。现有的材料硅含量较低,没有足够的空间容纳硅的膨胀导致其比容量较低,循环性能较差。
技术实现思路
根据本申请的一个方面,提供了一种硅碳复合纳米管阵列的制备方法,该材料作为锂离子电池的比容量高,循环性能好。该硅碳复合纳米管阵列的制备方法,其特征在于,由包括下述步骤的方法制备:1)将孔径范围为100-180nm的多孔阳极氧化铝模板进行煅烧;2)在煅烧后进行高温还原反应;3)最后脱除模板剂,干燥,即制得所述硅碳复合纳米管阵列的制备方法;所述煅烧的程序升温包括:第一煅烧阶段:300-400℃,保持20-40min;第二煅烧阶段:500-600℃,保持30-50min;第三煅烧阶段:600-900℃,保持10-30min;所述高温还原反应包括:第一还原阶段:100-300℃,保持10-20min;第二还原阶段:300-500℃,保持20-30min;第三还原阶段:500-800℃,保持10-15min。优选地,所述孔径范围为120-150nm的多孔阳极氧化铝。优选地,所述第一煅烧阶段:320-380℃,保持25-40min。优选地,所述第二煅烧阶段:520-580℃,保持35-50min。优选地,所述脱除模板剂为用质量浓度为15-30%氢氟酸水溶液,浸泡时间为50-100min。优选地,所述第三煅烧阶段:650-900℃,保持15-30min。优选地,所述第一还原阶段:150-300℃,保持12-20min。优选地,所述第二还原阶段:350-500℃,保持25-30min。优选地,所述第三还原阶段:550-800℃,保持12-15min。优选地,包括如下步骤:(1)将多孔阳极氧化铝模板放入管式炉的加热区,在惰性气体下升温,通入乙炔气体,乙炔的高温气相分解在模板表面生成碳纳米管阵列;(2)将碳纳米管阵列放入管式炉的加热区,抽至真空,升温后通入惰性气体、氢气和硅烷,硅烷在氢气保护下的高温低压气相分解,得到包含在模板内的同轴碳纳米管和硅纳米管阵列;(3)将同轴碳纳米管和硅纳米管阵列用氢氟酸水溶液浸泡去除模板和表面的氧化硅,干燥后得到产品。优选地,所述惰性气体为氮气或氩气,流量是50-100sccm,惰性气体升温600-900℃,乙炔气体的通入流量为20-50sccm,通入时间为20-30min。根据本申请的一个方面,提供了一种锂离子负极材料,其特征在于,包括上述方法制备的硅碳复合纳米管阵列。本申请能产生的有益效果包括:1)本申请所提供的硅碳复合纳米管阵列的制备方法,该材料作为锂离子电池的比容量高,循环性能好。2)本申请所提供的锂离子负极材料,具有稳定的循环性能,首次放电比容量达到了2501mAh/g,50次循环后仍然拥有1805mAh/g。具体实施方式下面结合实施例详述本申请,但本申请并不局限于这些实施例。如无特别说明,本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。实施例1将150nm孔径的多孔阳极氧化铝模板置于刚玉方舟中,放入管式炉的加热区,以100sccm的流速通入高纯氩气2小时后,第一煅烧阶段:350℃,保持30min;第二煅烧阶段:550℃,保持40min;第三煅烧阶段:750℃,保持2min,通入流量为50sccm的乙炔气体30分钟,保温2小时后自然降温,在此过程中乙炔高温气相分解,碳原子在多孔阳极氧化铝模板孔道内壁上沉积,得到包含在模板内的碳纳米管阵列。将碳纳米管阵列置于刚玉方舟中,放入管式炉的加热区,依次用机械泵和扩散泵抽真空至5Pa和10-2Pa,:第一还原阶段:200℃,保持15min;第二还原阶段:400℃,保持25min;第三还原阶段:700℃,保持12min,停止扩散泵,通入100sccm的高纯氩气,调节蝶阀的位置,用机械泵维持系统压力在1.4kPa,通入10sccm流量的氢气,11sccm的硅烷气体15分钟,保温2小时后自然降温,硅烷在氢气保护气氛下的高温气相分解,得到覆盖在碳层表面的硅纳米管材料,经过以上的制备过程,包含在AAO模板内的同轴硅纳米管和碳纳米管阵列的结构被获得。将制备的产物置于塑料片上,将塑料片连同产物放入塑料烧杯中,加入40mL质量分数为20%的氢氟酸水溶液,浸泡1小时;浸泡完毕后,将塑料片托着去除模板的硅碳复合纳米管阵列从溶液中取出,在去离子水中浸泡30分钟后取出,在真空干燥箱中80℃干燥12小时得到硅碳复合纳米管材料。将所得的硅碳复合纳米管阵列转移到手套箱中,直接作为电极使用,以金属锂为对极组装成CR2032型纽扣电池。按本实例制作的电池,首次放电比容量达到了2501mAh/g,50次循环后仍然拥有1805mAh/g。实施例2将200nm孔径的多孔阳极氧化铝模板置于刚玉方舟中,放入管式炉的加热区,以100sccm的流速通入高纯氩气2小时后,以10℃每分钟程序升温至800℃,通入流量为50sccm的乙炔气体30分钟,保温2小时后自然降温,在此过程中乙炔高温气相分解,碳原子在多孔阳极氧化铝模板孔道内壁上沉积,得到包含在模板内的碳纳米管阵列。将碳纳米管阵列置于刚玉方舟中,放入管式炉的加热区,依次用机械泵和扩散泵抽真空至5Pa和10-2Pa,以10℃每分钟程序升温至700℃,停止扩散泵,通入100sccm的高纯氩气,调节蝶阀的位置,用机械泵维持系统压力在1.4kPa,通入10sccm流量的氢气,11sccm的硅烷气体15分钟,保温2小时后自然降温,硅烷在氢气保护气氛下的高温气相分解,得到覆盖在碳层表面的硅纳米管阵列,经过以上的制备过程,包含在AAO模板内的同轴硅纳米管和碳纳米管阵列的结构被获得。将制备的产物置于塑料片上,将塑料片连同产物放入塑料烧杯中,加入40ml质量分数为20%的氢氟酸水溶液,浸泡1小时;浸泡完毕后,将塑料片托着去除模板的硅碳复合纳米管阵列从溶液中取出,在去离子水中浸泡30分钟后取出,在真空干燥箱中80℃干燥12小时得到硅碳复合纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅碳复合纳米管阵列的制备方法,其特征在于,包括下述步骤:1)将孔径范围为100‑180nm的多孔阳极氧化铝模板进行煅烧;2)在煅烧后进行高温还原反应;3)最后脱除模板剂,干燥,即制得所述硅碳复合纳米管阵列;所述煅烧的程序升温包括:第一煅烧阶段:300‑400℃,保持20‑40min;第二煅烧阶段:500‑600℃,保持30‑50min;第三煅烧阶段:600‑900℃,保持10‑30min;所述高温还原反应包括:第一还原阶段:100‑300℃,保持10‑20min;第二还原阶段:300‑500℃,保持20‑30min;第三还原阶段:500‑800℃,保持10‑15min。

【技术特征摘要】
1.一种硅碳复合纳米管阵列的制备方法,其特征在于,包括下述步骤:1)将孔径范围为100-180nm的多孔阳极氧化铝模板进行煅烧;2)在煅烧后进行高温还原反应;3)最后脱除模板剂,干燥,即制得所述硅碳复合纳米管阵列;所述煅烧的程序升温包括:第一煅烧阶段:300-400℃,保持20-40min;第二煅烧阶段:500-600℃,保持30-50min;第三煅烧阶段:600-900℃,保持10-30min;所述高温还原反应包括:第一还原阶段:100-300℃,保持10-20min;第二还原阶段:300-500℃,保持20-30min;第三还原阶段:500-800℃,保持10-15min。2.根据权利要求1所述的硅碳复合纳米管阵列的制备方法,其特征在于,所述孔径范围为120-150nm的多孔阳极氧化铝。3.根据权利要求1所述的硅碳复合纳米管阵列的制备方法,其特征在于,所述第一煅烧阶段:320-380℃,保持25-40min。4.根据权利要求1所述的硅碳复合纳米管阵列的制备方法,其特征在于,所述第二煅烧阶段:520-580℃,保持35-50min。5.根据权利要求1所述的硅碳复合纳米管阵列的制备方法,其特征在于,所述脱除模板剂为用质量浓度为15-30%氢氟酸水溶液,浸泡时间为50-100min。6.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:赵成龙宋春华王瑛陈欣
申请(专利权)人:山东玉皇盛世化工股份有限公司
类型:发明
国别省市:山东,37

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