本发明专利技术公开了一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料，为具有褶皱结构和大孔/介孔的随机定向片状结构相互连接构成的三维多孔框架结构，其中硅氧化物的颗粒直径为40～200nm，均匀分散在三维石墨烯气凝胶网络的内部和表面；按百分数计，硅为8～23％，氧为47～82％，碳为10～30％；BET比表面积为160～210m2/g。本发明专利技术的稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料应用于锂离子电池，不仅具有长循环寿命、高比容量等优点，而且原料来源广泛，便于大规模生产，价格便宜，操作安全，副产品易于回收，实现绿色无污染生产。本发明专利技术还公开了稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法与应用方法。制备方法与应用方法。制备方法与应用方法。
【技术实现步骤摘要】
一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料及其制备方法与应用
[0001]本专利技术涉及新能源储能
，涉及一种锂离子电池负极材料及其制备与应用，更具体地说是涉及一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料及其制备方法与应用。
技术介绍
[0002]随着锂离子电池技术的不断发展，其在军事、航天、民用等领域发挥着越来越重要的作用，被广泛应用在电子设备、动力汽车和静态储能等领域，尤其是新能源汽车，其作为国家战略新兴产业之一，未来市场巨大。负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，决定着锂离子电池的性能及安全性。目前市场上应用最广泛的负极材料的容量已经接近其理论容量372mAh g
‑1，提升空间十分有限，其低能量密度严重限制了锂离子电池的广泛应用。因此，开发高比能量、长寿命和低成本的锂离子电池成为亟待解决的问题，也是解决电动汽车里程焦虑的关键途径。
[0003]硅基负极材料如纯硅、硅氧化物，该类材料具有比容量高、低脱锂电位等优势被认为是下一代锂离子电池极具应用前景的负极材料。然而，硅基负极材料的生产成本高及脱嵌锂过程中体积变化巨大，导致材料粉化、脱落及容量衰减，这限制了该类材料在锂离子电池中的广泛应用，特别是复杂的生产工艺，会大大提高成本，不利于硅基锂离子电池的市场化。如何在提升硅基材料性能的同时降低其成本，是市场的研究热点。如从生产成本角度出发，可寻找廉价硅源并简化生产工艺，从材料性能角度出发，可将材料纳米化并复合其他材料。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的是为解决现有技术中稻壳中的硅元素被大部分浪费的问题和缺陷，将稻壳变为高附加值的原料。而提供一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料，为具有褶皱结构和大孔/介孔的随机定向片状结构相互连接构成的三维多孔框架结构，其中硅氧化物的颗粒直径为40～200nm，均匀分散在三维石墨烯气凝胶网络的内部和表面；按百分数计，硅为8～23％，氧为47～82％，碳为10～30％；BET比表面积为160～210m2/g。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的另一技术方案是：
[0008]一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1、将稻壳采用超纯水清洗干净，浸泡于浓度为0.1～5mol/L的酸溶液中，在80～100℃下保持8～24h并不断搅拌，通过离心分离并用超纯水洗至中性，置于烘箱中烘干；
[0010]步骤2、将步骤1得到的产物平铺于瓷舟中，置于惰性气氛的管式炉内，以升温速率为2～5℃/min，在400～600℃保持1～4h，自然冷却到室温；
[0011]步骤3、将步骤2得到的产物置于浓度为1～3mol/L的NaOH溶液中回流搅拌，在25～130℃下保持2～6h后，过滤后，得到滤液；
[0012]步骤4、向步骤3得到的滤液中按照质量比1：(0.1～0.5g)加入十六烷基三甲基溴化铵，待固体溶解后，在25～80℃下滴加酸溶液至pH＝1～10并保持3～24h得到白色沉淀，将沉淀过滤并洗涤至中性并干燥；
[0013]步骤5、将步骤4得到的产物平铺于瓷舟中，置于管式炉内，在空气氛围下以2～5℃/min的升温速率于400～600℃保持1～6h后，自然冷却；
[0014]步骤6、将步骤5得到的产物与铝粉或镁粉或铝镁粉混合物按照质量比1～6：1～6混合均匀装入球磨罐中，惰性气体下球磨10min～10h后，置于不锈钢密闭反应器中，惰性气体氛围下以2～15℃/min的升温速率，保温温度为650～750℃，时间为2～6h进行还原，自然冷却；
[0015]步骤7、将步骤6得到的产物浸泡在浓度为0.1～2mol/L的酸溶液中反应4～24h，过滤洗涤至中性，并真空干燥；
[0016]步骤8、将步骤7得到的产物超声分散于浓度为1～2mg/mL氧化石墨烯溶液中1～2h，在150～180℃下水热反应4～12h后，自然冷却并过滤及用超纯水洗涤；
[0017]步骤9、将步骤8得到的产物冷冻干燥后，置于管式炉内，于氢氩混合气中以2～5℃/min的升温速率，在500～600℃温度范围内保持2～6h，自然冷却，得到稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料。
[0018]进一步优选的，步骤1中所述的酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、草酸中的任意一种或其中多种任意比例的混合酸。
[0019]进一步优选的，步骤2中所述的惰性气氛为氮气或氩气或氮氩混合气。
[0020]进一步优选的，步骤4中所述的酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、草酸中的任意一种，浓度为1～15wt％。
[0021]进一步优选的，步骤6中所述的惰性气氛为氮气或氩气或氮氩混合气。
[0022]进一步优选的，步骤7中所述的酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、醋酸、草酸中的任意一种或其中多种任意比例的混合酸。
[0023]进一步优选的，步骤9中所述的氢氩混合气中氢气体积分数为5～10％。
[0024]本专利技术的稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合材料作为锂离子电池负极活性材料的应用。具体是用作CR2032扣式锂离子电池，包括如下步骤：
[0025](A)将稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合材料、科琴黑、聚偏氟乙烯按照量比5～8：4～1：1混合均匀，得到固体混合物。
[0026](B)将步骤(A)得到的固体混合物与N
‑
甲基吡咯烷酮按照质量比18～30：70～82混合，搅拌均匀，制得浆料。
[0027](C)将步骤(B)得到的浆料涂覆在铜箔上，经干燥、辊压后制得厚度为11～25μm的锂离子电池电极片；
[0028](D)将步骤(C)得到的锂离子电池电极片作为工作电极，锂片作为对电极，采用微孔聚丙烯
‑
聚乙烯膜为隔膜，采用1mol/L的LiPF6为电解液，在充满氩气的手套箱中装配成CR2032扣式锂离子电池。
[0029]本专利技术的优点和有益效果在于：
[0030]1、本专利技术的稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合材料及其制备方法，直接以稻壳为原料，实现了农业废弃物再利用，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，提高了稻壳的经济、社会和生态效益；
[0031]2、本专利技术的稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合材料及其制备方法，通过沉淀法、还原法等手段从稻壳中提取硅氧化物，再通过与石墨烯水热复合得到具有三维多孔结构的稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合材料，不仅可以提高材料的导电性，还有效缓解材料的的体积膨胀，从而提高电池的循环性能。
附图说明
[0032]图1为本专利技术实施例1制备得到的稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料的扫描电镜图。
[0033]图2是本专利技术实施例1制备得到的稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料的透射电镜图。本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料，其特征在于，所述的复合负极材料为具有褶皱结构和大孔/介孔的随机定向片状结构相互连接构成的三维多孔框架结构，其中硅氧化物的颗粒直径为40～200nm，均匀分散在三维石墨烯气凝胶网络的内部和表面；按百分数计硅为8～23％，氧为47～82％，碳为10～30％；BET比表面积为160～210m2/g。2.一种根据权利要求1所述的稻壳基硅氧化物/石墨烯气凝胶复合负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、将稻壳采用超纯水清洗干净，浸泡于浓度为0.1～5mol/L的酸溶液中，在80～100℃下保持8～24h并不断搅拌，通过离心分离并用超纯水洗至中性，置于烘箱中烘干；步骤2、将步骤1得到的产物平铺于瓷舟中，置于惰性气氛的管式炉内，以升温速率为2～5℃/min，在400～600℃保持1～4h，自然冷却到室温；步骤3、将步骤2得到的产物置于浓度为1～3mol/L的NaOH溶液中回流搅拌，在25～130℃下保持2～6h后，过滤后，得到滤液；步骤4、向步骤3得到的滤液中按照质量比1：(0.1～0.5g)加入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，待固体溶解后，在25～80℃下滴加酸溶液至pH＝1～10并保持3～24h得到白色沉淀，将沉淀过滤并洗涤至中性并干燥；步骤5、将步骤4得到的产物平铺于瓷舟中，置于管式炉内，在空气氛围下以2～5℃/min的升温速率于400～600℃保持1～6h后，自然冷却；步骤6、将步骤5得到的产物与铝粉或镁粉或铝镁粉混合物按照质量比1～6：1～6混合均匀装入球磨罐中，惰性气体下球磨10min～10h后，置于不锈钢密闭反应器中，惰性气体氛围下以2～15℃/min的升温速率，保温温度为650～750℃，时间为2～6h进行还原，自然冷却；步骤7、将步骤6得到的产物浸泡在浓度为0.1～2mol/L的酸溶液中反应4～24h，过滤洗涤至中性，并真空干燥；步骤8、将步骤7得到的产物超声分散于浓度为1～2mg/mL氧化石墨烯溶液中1～2h，在150～180℃下水热反应4～12h后，自然冷却并过滤及用超纯水洗涤；步骤9、将步骤8得到的产...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨宏训，孙孟飞，马娇娇，徐明航，邹旭飞，吴帅霆，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：
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