一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法，属于电化学材料领域，制备方法包括：将柠檬酸在连续搅拌下溶解在无水乙醇中得到柠檬酸/乙醇溶液；将纳米晶Si粉末通过超声处理混合到初始的柠檬酸/乙醇溶液中得到前驱体溶液；利用喷雾热解法制备得到非晶碳涂层硅纳米复合电极材料。本发明专利技术的方法工艺简单、价格低廉，有效的在硅纳米晶表面形成碳涂层；同时通过控制加工温度控制了无定形碳含量、碳涂层厚度和碳涂层均匀性，提高了电极的循环稳定性和导电性能。循环稳定性和导电性能。循环稳定性和导电性能。

【技术实现步骤摘要】
一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于电化学材料领域，具体涉及一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，能源危机和环境问题已经成为了不可忽视的社会性问题，为了解决这些问题，迫切需要发展清洁、高效、可持续的新能源。在众多的化学电源中，锂离子电池以其能量密度高、使用寿命长、自放电小、无记忆效应和环保等优点得到了广泛的应用。然而，目前锂离子电池的能量密度还不能满足电动汽车和智能电网的更高要求。因此，许多研究者投入了巨大的努力来开发具有令人满意的能量密度的锂离子电池负极材料。
[0003]硅基材料因其高理论容量(4200mAh/g)、相对低的放电电位、储量丰富和环境友好性而受到关注。然而，硅具有较差的导电性，并且在充电/放电过程中有大的体积变化(>300%)，因此导致严重的容量衰减和较差的倍率性能。此外，连续的体积变化也可能导致硅基材料表面形成不稳定的SEI层，从而导致库仑效率较低。因此亟待开发出具有新型结构的硅基电极材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料及其制备方法，通过喷雾热解工艺，得到具有均匀的碳涂层的球状硅纳米颗粒，降低硅纳米颗粒在锂离子的嵌入/脱出的体积变化，增加导电性，提高电池性能；通过改变加工温度制备非晶碳含量、碳涂层厚度和碳涂层均匀性不同的非晶碳涂层硅纳米复合材料。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：提供一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料的制备方法，包括：步骤1：将柠檬酸在连续搅拌下溶解在无水乙醇中得到柠檬酸/乙醇溶液；步骤2：将纳米晶Si粉末通过超声处理混合到步骤1得到的柠檬酸/乙醇溶液中得到前驱体溶液；步骤3：将步骤2得到的前驱体溶液在垂直型喷雾热解反应器中使用4mL/min的流速原位制备非晶碳涂层硅纳米复合材料；步骤4：将步骤3得到的非晶碳涂层硅纳米复合材料与导电剂、粘结剂和分散剂混合后均匀分散到铜箔上得到非晶碳涂层硅纳米复合电极。
[0006]进一步的，所述步骤1中无水乙醇的浓度为99.99 wt%。
[0007]进一步的，所述步骤2中纳米晶Si粉末的粒径小于100nm。
[0008]进一步的，所述步骤2中纳米晶Si粉末与柠檬酸质量比为1:10。
[0009]进一步的，所述步骤3中喷雾热解加工温度范围为300~500℃，气氛条件为空气。
[0010]本专利技术还提供了由上述方法制备的非晶碳涂层硅纳米复合电极材料。
[0011]与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果：
1）硅的价格低廉，储量丰富，具有和较低电位和较高的比容量；2）制备工艺简单，是较为简单的喷雾热解法；3）本专利技术制备的材料非晶碳涂层有效的降低了硅的体积膨胀，并且提高了导电性。
附图说明
[0012]图1为实施例1中制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料的SEM图；图2为实施例1中制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料的TEM图；图3为实施例1中制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料的第2、第5、第10和第20次循环差异容量图；图4为实施例1中制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料在100mA/g的长循环图。
具体实施方式
[0013]下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行详细描述。
[0014]实施例1在连续搅拌下，将柠檬酸溶解在200mL无水乙醇中。随后，将纳米晶Si粉末以1:10的重量比（Si/柠檬酸）通过超声处理90分钟混合到初始柠檬酸/乙醇溶液中。通过在400
°
C下在空气中喷雾Si/柠檬酸/乙醇悬浮液，在垂直型喷雾热解反应器中使用4mL/min的流速原位制备非晶碳涂层硅纳米复合材料。通过将非晶碳涂层硅纳米复合材料作为活性材料与10wt%炭黑和10wt%聚偏二氟乙烯(PVDF)粘合剂在N
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮(NMP，无水，99.5%) 溶剂中形成均匀的浆料，然后将其铺展到用作集电器的铜箔上。电极的典型活性质量负载为2
‑
3mg/cm2。随后，将涂覆的电极(平均厚度约为50
µ
m)在真空烘箱中110
°
C下干燥24小时，然后加压以增强活性材料与导电碳之间的接触。取涂覆的电极作为测试电极材料，在手套箱中进行锂离子半电池组装，采用锂片作为对电极，电解液为商业有机电解液。图1所示为本施例制备的电极材料的SEM图，可以看出复合电极材料颗粒主要是球形附聚物，这是喷雾工艺的典型特征，尺寸范围为5~10μm。图2为TEM图像，球状硅纳米颗粒被非晶碳层均匀包围，碳涂层厚度约为10nm。该结构可以有效的降低硅纳米颗粒的体积膨胀，提高电导率。碳包覆硅纳米复合电极的第2、第5、第10和第20次循环差异容量图如图3所示。可以看出，由碳包覆硅纳米复合材料在400
°
C空气中喷雾热解组成的电极即使在20次循环后仍保持高活性和可逆性。图4显示了碳包覆Si纳米复合电极在100mA/g的长循环图，碳包覆的硅纳米复合电极在前20次循环中表现出中等容量衰减行为，随后在接下来的80次循环中表现出相对平坦和低容量的衰减行为。碳包覆的硅纳米复合电极的不可逆容量损失每次循环都小于0.4%。100圈循环后容量稳定在1120mAh/g的水平，为硅基高能量密度电极材料提供了可行的方案。
[0015]实施例2本实施例与实施例1不同之处在于，喷雾热解加工温度为500℃，其它则与实施例1相同。本实施例制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料其形貌类似于实施例1，但碳涂层厚度为1nm，在100mA/g的电流密度下第100圈的放电容量为288mAh/g。
[0016]实施例3本实施例与实施例1不同之处在于，喷雾热解加工温度为300
°
C，其它则与实施例1
相同。本实施例制备的非晶碳涂层硅纳米复合材料其形貌类似于实施例1，但碳涂层厚度为40nm，在100mA/g的电流密度下第100圈的放电容量为116mAh/g。
[0017]对比例1纳米晶Si粒作为活性物质与实施例相同方法涂电极后组装电池测试，在100mA/g的电流密度下衰减极快，第10圈开始稳定，第100圈的放电容量只有10mAh/g。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非晶碳涂层硅纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括：将柠檬酸在连续搅拌下溶解在无水乙醇中得到柠檬酸/乙醇溶液；将纳米晶Si粉末通过超声处理混合到柠檬酸/乙醇溶液中得到前驱体溶液；将前驱体溶液在垂直型喷雾热解反应器中使用4mL/min的流速原位制备非晶碳涂层硅纳米复合材料；将得到的非晶碳涂层硅纳米复合材料与导电剂、粘结剂和分散剂混合后均匀分散到铜箔上得到非晶碳涂层硅纳米复合电极。2.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，张立，
申请(专利权)人：徐州芥子复源智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：