一种三维多孔硅碳复合材料、制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种三维多孔硅碳复合材料、制备方法及其应用，属于微纳米材料合成领域。本发明专利技术制备的硅碳复合材料包括多孔氮掺碳包覆硅纳米粒子，且硅碳复合材料中硅纳米粒子的粒径为40～80nm。所述氮掺碳为独特的三维网络状，且具有丰富的孔隙结构，不仅可以有效防止硅纳米粒子的团聚，提高复合材料的整体导电性，还可以增加复合材料的韧性，防止在充放电过程中电极材料因体积变化发生的结构破坏。另外，本发明专利技术原料易得，工艺简单，重复性较强，产品整体制备成本较低，适合工业化生产。制备的硅碳复合材料形貌特征鲜明，作为锂离子电池负极材料，具有较好的电化学性能。具有较好的电化学性能。具有较好的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种三维多孔硅碳复合材料、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于微纳米材料合成领域，尤其是一种三维多孔硅碳复合材料、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池是目前最重要的电化学储能器件之一，商业化石墨负极理论比容量偏低，限制了新一代高能量密度锂离子电池的快速发展。硅负极具有3590mAh g
‑
1的理论比容量，是最有应用前景的锂电负极材料之一。但是硅锂合金体积变化达到360％，在充放电过程中结构极其不稳定，导致电池容量快速衰减。目前最主要的解决方法之一是将硅负极与碳材料进行复合，一方面提高硅负极的导电性，一方面缓解硅锂合金的体积变化。
[0003]如中国专利CN201810396791.2用石墨化碳微粉包裹硅粉，然后进行喷雾干燥，得到硅碳微球。中国专利CN202010473716.9用石墨烯包覆硅离子形成硅碳一次颗粒，接着用硅烷偶联剂进行二次包覆，并加入碳纳米管进一步提高材料的导电性，最后通过煅烧形成硅碳二次颗粒。中国专利CN201710270675.1将石墨烯的包覆层浆料和硅浆料分别喷雾进入包覆室，并使其带上相反的电荷，通过调节气流形成硅碳负极材料。上述公开的硅碳负极材料虽然在控制硅体积变化、提高锂离子电池电化学性能等方面有一定的改进，但是所用原料、设备价格昂贵，制备工艺均比较复杂，导致产品整体成本较大，不利于工业化生产。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种三维多孔硅碳复合材料、制备方法及其应用。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0006]一种三维多孔硅碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]1)将硅粉与丙烯酰胺分散于去离子水中，得到分散液A；
[0008]2)将过硫酸钾与丙烯酰胺衍生物溶于去离子水中，得到混合溶液B；
[0009]3)将混合液B加入分散液A中，搅拌均匀，之后在50～80℃反应1～3小时；
[0010]4)将反应产物用无水乙醇洗涤数次，然后50～80℃下真空干燥1～10小时；
[0011]5)将干燥产物在氩气或氮气气氛下进行煅烧，煅烧温度为500～900℃，煅烧时间为1～5小时，制得三维多孔硅碳复合材料。
[0012]进一步的，在步骤1)中，硅粉与丙烯酰胺的质量比为1:(1～10)。
[0013]进一步的，在步骤1)中，每1.0g的硅粉对应于10～50mL去离子水。
[0014]进一步的，所述步骤2)中，过硫酸钾与丙烯酰胺衍生物的质量比为1:(0.1～1)。
[0015]进一步的，步骤2)中，每1.0g的过硫酸钾对应10～50mL去离子水。
[0016]进一步的，所述步骤2)中，丙烯酰胺衍生物为4
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磺酰苯基丙烯酰胺、对羟氨基苯基丙烯酰胺、N
‑
羟甲基丙烯酰胺或N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺。
[0017]本专利技术所述制备方法制备得到的三维多孔硅碳复合材料。
[0018]进一步的，硅颗粒表面包覆有氮元素掺杂的三维多孔碳包覆层。
[0019]本专利技术的三维多孔硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料的应用。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]本专利技术的三维多孔硅碳复合材料的制备方法，所用原料常见易得，价格低廉，所用设备均为常规设备，制备工艺简便，重复性较强，有利于工业化大规模生产。另外，制备过程整体成本较低，产品尺寸可控，可以显著提高材料的使用性能，有利于工业化生产。若制备过程中单独加入丙烯酰胺，最终只能在硅粉表面形成一层碳包覆层，尚不能制备出目标产物，本专利技术加入丙烯酰胺衍生物，利用该物质与丙烯酰胺的相互交联性质，可以在硅粉表面形成三维丼字形相互交联的胶体状前驱体，经过煅烧，在硅颗粒表面原位构建三维多孔碳包覆层，解决了目前常见的硅碳负极材料的以下两个主要问题：1)碳层太厚，不利于硅负极容量的发挥。2)碳层太薄，在充放电过程中结构易破坏。
[0022]本专利技术的三维多孔硅碳复合材料，在硅粉表面形成了三维丼字形相互交联的胶体状前驱体，经过煅烧，在硅颗粒表面原位构建三维多孔碳包覆层；另外，碳层中少量氮元素的掺杂可以进一步提高复合材料的电子传输性质。三维多孔碳的包覆不仅可以防止硅颗粒的团聚，提高复合材料的整体导电性，其丰富的孔隙结构还可以增加材料的韧性。
[0023]本专利技术的三维多孔硅碳复合材料作为锂离子电池负极材料的应用，因硅颗粒表面原位构建三维多孔碳包覆层，提高脱嵌锂过程中容纳硅锂合金体积变化的空间，减小电极材料因体积变化发生的结构破坏，使得电池具有较高的比容量和良好的循环稳定性。
附图说明
[0024]图1为实施例1的三维多孔硅碳复合材料XRD图；
[0025]图2为实施例1的三维多孔硅碳复合材料扫描电镜图；
[0026]图3为实施例1的三维多孔硅碳复合材料充放电循环图。
具体实施方式
[0027]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0028]需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0029]下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：
[0030]实施例1
[0031]将硅粉与丙烯酰胺分别称取1.0g分散于50mL去离子水中，分散液记为A，将过硫酸钾与N
‑
羟甲基丙烯酰胺分别称取1.0g溶于10mL去离子水中，混合溶液记为B，将混合液B加入分散液A中，搅拌0.5小时后放置于烘箱中，50℃预烘干3小时，然后用无水乙醇洗涤数次，50℃下真空干燥10小时，将干燥产物在氩气气氛下500℃进行煅烧5小时，制得三维多孔硅碳复合材料。
[0032]参见图1，图1为实施例1制备的硅碳复合材料的XRD图，2θ＝28
°
、47
°
、56
°
处比较尖锐的峰对应立方相硅，PDF卡片为27
‑
1402。2θ＝21
°
附近的宽峰对应氮掺多孔碳。
[0033]参见图2，图2为实施例1产本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维多孔硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将硅粉与丙烯酰胺分散于去离子水中，得到分散液A；2)将过硫酸钾与丙烯酰胺衍生物溶于去离子水中，得到混合溶液B；3)将混合液B加入分散液A中，搅拌均匀，之后在50～80℃反应1～3小时；4)将反应产物用无水乙醇洗涤数次，然后50～80℃下真空干燥1～10小时；5)将干燥产物在氩气或氮气气氛下进行煅烧，煅烧温度为500～900℃，煅烧时间为1～5小时，制得三维多孔硅碳复合材料。2.根据权利要求1所述的三维多孔硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，硅粉与丙烯酰胺的质量比为1:(1～10)。3.根据权利要求2所述的三维多孔硅碳复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，每1.0g的硅粉对应于10～50mL去离子水。4.根据权利要求1所述的三维多孔硅碳复合材料的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭守武，阮欢，张利锋，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：