一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法技术

一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法，先将洗净的燕麦壳浸泡于2～12％的酸溶液中，在室温下保持24～36h并搅拌，然后过滤并洗涤至中性干燥，得产物A置于通有空气或氧气的管式炉内，以0.5～2℃/min的升温速率在450～650℃温度下保持4～6h，自然冷却得产物B置于气相沉积炉中，通入气体碳源，在800～1000℃下碳化，得产物C；将产物C与碳材料按照0.5～4：0.5～4质量比混合均匀装入球磨罐，球磨12～24h得产物D置于管式炉内，以升温速率为0.5～2℃/min，在900～1100℃保持6～6h，自然冷却后得到硅氧化物/碳复合材料。本发明专利技术工艺简单，原料来源广泛，便于大规模生产。

A preparation method of silicon oxide / carbon composite

【技术实现步骤摘要】
一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法
本专利技术涉及新能源储能领域，特别涉及一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、功率密度大、工作电压高、循环寿命长、自放电率低、环境污染低等优点，作为目前最有效的储能设备之一，已经广泛的应用于各个领域，在现代社会中发挥着越来越重要的作用。随着电动汽车的大量生产以及可便携式电子设备的迭代更新对锂离子电池的容量和续航能力有了更高的需求。然而当前锂离子电池商业化使用的主流负极材料为石墨，其理论容量仅为372mAh/g，在实际应用过程中，已接近理论容量，无法满足高性能电池的应用需求。因此开发具有高比容量的新兴负极材料已经是大势所趋，在提出的用于锂离子电池的新兴负极材料中，硅被认为是最有希望替代石墨的候选材料。它具有超高的理论容量(4200mAh/g)，并且在地壳中含量丰富，对环境友好。但是，硅材料在锂离子反复的嵌入和脱出过程中，伴随着严重的体积变化(约300％)，导致充放电过程中硅颗粒的粉碎，电极脱落以及固体电解质界面(SEI)过度生长而影响其循环寿命。为了解决这个缺点，硅氧化物/碳复合材料便是其研究中的一大热点。碳材料具有较高的电导率，结构相对稳固，在循环过程中体积膨胀很小，通常在10％以下，并且碳材料还具有良好的柔韧性和润滑性，能够在一定程度上抑制硅材料在循环过程中的体积膨胀。此外，大多数制备硅氧化物/碳负极材料的工艺较为复杂，成本较高。因此，开发一种工艺简单、成本低、能有效抑制硅颗粒体积膨胀的制备方法仍是一个挑战。已经证明，可以通过天然生物质来制造各种各样的功能纳米结构材料。在各种天然物质中，燕麦是最常见的农作物之一，在全球广泛种植，燕麦壳作为一种农业废料，常见的处理方式为露天焚烧，不仅造成资源浪费还污染环境。经过检测证实燕麦壳中包含天然形成的二氧化硅成分，通过煅烧等处理可以作为锂离子电池负极材料，这种简便的方法使燕麦壳成为开发新型硅氧化物/碳复合电极材料的重要资源，对于解决当前的能源危机和环境污染问题具有重要意义。
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，提供一种廉价高性能的硅氧化物/碳复合材料的制备方法。本专利技术采用天然的可再生的农作物废料燕麦壳为前驱体，通过简单的机械化学方法，制备出高循环稳定性、低成本的硅氧化物/碳复合材料。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)取燕麦壳用超纯水清洗干净、然后浸泡于酸溶液中，在室温下不断搅拌并保持24～36h，浸泡完毕后通过离心分离并用超纯水洗涤至滤液呈中性，置于真空干燥箱中在80～120℃下干燥，得到产物A；(2)将产物A置于管式炉内，以0.5～2℃/min的升温速率在450～650℃温度下保持4～6h，自然冷却后得到产物B；(3)将产物B置于气相沉积炉中，通入气体碳源，在800-1000摄氏度下碳化，后得到产物C；(4)将产物C与碳材料按照0.5～4：0.5～4质量比混合后装在球磨罐中，球磨12～24h，得到产物D；(5)将产物D置于通入气氛的管式炉内，以0.5～2℃/min的升温速率在900～1300℃温度下保持4～6h，自然冷却后得到产物硅氧化物/碳复合材料。进一步地，所述步骤1中酸溶液的浓度为3～12％，溶剂为超纯水。进一步地，所述步骤1中酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、草酸中的任意一种或几种任意比例的混合酸。进一步地，所述步骤2中的气氛为空气、氧气种的一种或几种任意比例的混合气。进一步地，所述步骤3中的气体碳源为甲烷、乙炔中的一种或两种气体任意比例的混合气。进一步地，所述步骤4中碳材料为石墨、沥青、导电碳黑中的任意一种或几种任意比例的混合碳材料。进一步地，所述步骤5中的惰性气氛为氮气、氩气、氢氩混合气中的任意一种或几种任意比例的混合气。本专利技术的优点和有益效果在于：(1)本专利技术的一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法，直接以燕麦的副产物燕麦壳为原料，实现了废弃农作物再利用，不仅有利于保护环境，还降低了生产成本，符合国家大力发展天然废弃物生物质新材料的要求，提高了燕麦的经济、社会和生态效益；(2)本专利技术的一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法，基于燕麦壳中含有天然的二氧化硅成分，通过简单易操作的还原手段将二氧化硅还原成硅氧化合物，再通过与碳材料机械混合生成具有致密碳包覆层的硅氧化物@碳复合材料，有效提升硅氧化物/碳材料的导电性并同时抑制硅颗粒的体积膨胀，从而提升锂电池的倍率性能和循环性能。附图说明图1为本专利技术实施例1制备得到的硅氧化物/碳复合材料的扫描电镜图。图2是本专利技术实施例1制备得到的硅氧化物/碳复合材料的X射线衍射(XRD)图谱。具体实施方式下面列举实施例对本专利技术作进一步详细的说明。通过实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本专利技术，但并不因此将本专利技术限制在所述的实施例范围之中。实施例1一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：(1)取1g的燕麦壳先用超纯水清洗干净、然后浸泡于50ml浓度为10％的盐酸溶液中，在室温下保持24h，浸泡完毕后用超纯水洗涤至中性，在80℃下干燥，得到产物A；(2)将产物A平铺于瓷舟中，置于通入空气的管式炉内，以2℃/min升温速率升至500℃并保持4h，得到产物B；(3)将产物B置于通入甲烷的气相沉积炉内，以2℃/min升温速率升至800℃并保持4h，得到产物C；(4)将产物C与石墨按照1：1的质量比混合均匀装在球磨罐中，球磨12h得到产物D；(5)将产物D置于通有氩氢混合气体(95％/5％，v/v)的管式炉内，以2℃/min升温速率升温至1100℃煅烧一段时间，自然冷却后得到产物硅氧化物/碳复合材料。实施例2一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：(1)取1g的燕麦壳先用超纯水清洗干净、然后浸泡于50ml浓度为8％的盐酸溶液中，在室温下保持30h，浸泡完毕后用超纯水洗涤至中性，在100℃下干燥，得到产物A；(2)将产物A平铺于瓷舟中，置于通入空气的管式炉内，以2℃/min升温速率升至550℃并保持4h，得到产物B；(3)将产物B置于通入甲烷的气相沉积炉内，以2℃/min升温速率升至900℃并保持4h，得到产物C；(4)将产物C与石墨按照1：2的质量比混合均匀装在球磨罐中，球磨24h得到产物D；(5)将产物D置于通有氩氢混合气体(95％/5％，v/v)的管式炉内，以2℃/min升温速率升温至1100℃煅烧一段时间，自然冷却后得到产物硅氧化物/碳复合材料。实施例3一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：(1)取1g的燕麦壳先用超纯水清洗干净、然后浸泡于50ml浓度为8％的盐酸溶液中，在室温下保持24h，浸泡完毕后用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：/n(1)取燕麦壳用超纯水清洗干净、然后浸泡于酸溶液中，在室温下不断搅拌并保持24～36h，浸泡完毕后通过离心分离并用超纯水洗涤至滤液呈中性，置于真空干燥箱中在80～120℃下干燥，得到产物A；/n(2)将产物A置于管式炉内，以0.5～2℃/min的升温速率在450～650℃温度下保持4～6h，自然冷却后得到产物B；/n(3)将产物B置于气相沉积炉中，通入气体碳源，在800-1000摄氏度下碳化，后得到产物C；/n(4)将产物C与碳材料按照0.5～4：0.5～4质量比混合后装在球磨罐中，球磨12～24h，得到产物D；/n(5)将产物D置于通入惰性气氛的管式炉内，以0.5～2℃/min的升温速率在900～1300℃温度下保持4～6h，自然冷却后得到产物硅氧化物/碳复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)取燕麦壳用超纯水清洗干净、然后浸泡于酸溶液中，在室温下不断搅拌并保持24～36h，浸泡完毕后通过离心分离并用超纯水洗涤至滤液呈中性，置于真空干燥箱中在80～120℃下干燥，得到产物A；
(2)将产物A置于管式炉内，以0.5～2℃/min的升温速率在450～650℃温度下保持4～6h，自然冷却后得到产物B；
(3)将产物B置于气相沉积炉中，通入气体碳源，在800-1000摄氏度下碳化，后得到产物C；
(4)将产物C与碳材料按照0.5～4：0.5～4质量比混合后装在球磨罐中，球磨12～24h，得到产物D；
(5)将产物D置于通入惰性气氛的管式炉内，以0.5～2℃/min的升温速率在900～1300℃温度下保持4～6h，自然冷却后得到产物硅氧化物/碳复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种硅氧化物/碳复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1中所述的酸溶液的浓度为3～12％，溶剂为超纯水。


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【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏训，徐明航，马娇娇，赵象晨，孙孟飞，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32