一种利用有机硅烷制备硅-碳复合材料的方法技术

本发明专利技术公开一种利用有机硅烷制备硅

【技术实现步骤摘要】
一种利用有机硅烷制备硅-碳复合材料的方法


[0001]本专利技术涉及锂离子电池负极材料制备领域，更加具体地说，涉及利用有机硅烷制备锂离子电池硅/碳复合材料的方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池(LIBs)具有能量密度高、寿命长、环保等优点，是目前最具吸引力的储能设备之一，在现代社会中也扮演着越来越重要的角色。他们已经占领了手机、笔记本电脑和数码相机等便携式电子产品的市场，也被确定为电动汽车和固定能源储存的首选电源。然而，目前商业化的锂离子负极材料为石墨类材料，但其理论比容量仅为372mAh g-1
，已不能满足高比容量锂离子电池的巨大市场需求，因此迫切要求开发高比容量，长寿命，高安全性的新型锂离子电池负极材料。
[0003]在现阶段提出的锂离子电池负极材料中，硅被认为是最有希望替代石墨的材料。它是地壳中含量第二丰富的元素，对环境友好，并具有超高的理论容量(4200mAhg-1
)，是商业石墨电极材料理论比容量的10倍多。尽管硅基材料具有高的理论容量，但其存在两个主要的问题限制了硅的实际应用：(1)循环过程中体积膨胀大(>400％)，导致循环性能差；(2)电导率低，限制其倍率性能。研究表明，制备硅/碳复合材料是解决以上问题的有效方法。但传统的单一碳包覆层容量低、强度小，限制了高比容量负极材料的发展。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有制备方法的不足，提供一种新的制备方法，通过利用有机硅烷制备锂离子电池硅/碳复合材料作为锂离子电池负极材料进行改性，制备出具有良好电化学性能的硅/碳复合材料，并推动其工业化生产。
[0005]本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现。
[0006]一种利用有机硅烷制备硅-碳复合材料的方法，按照下述步骤进行：
[0007]步骤1，将硅烷和抗坏血酸以摩尔比3：(1—10)的比例均匀分散后，加入均匀分散有纳米硅颗粒的溶液中，在60—80摄氏度下反应5—15小时，以硅烷及抗化学酸的同步聚合原位包覆方法形成的硅氧化物及碳复合包覆层沉积在纳米硅颗粒表面，最终形成一层硅氧化物/碳膜包覆在纳米硅颗粒表面，且硅的含量在10wt％-60wt％之间；
[0008]步骤2，将步骤1反应后的材料进行离心干燥处理后，置于惰性保护气体下进行热解，以得到二氧化硅/无定型碳的硅-碳复合材料；热解温度为800—900摄氏度，热解时间为3—8小时。
[0009]而且，在步骤1中，硅烷为3-氨丙基三乙氧基硅烷。
[0010]而且，在步骤1中，硅烷和抗坏血酸的摩尔比为3：(4—8)。
[0011]而且，在步骤1中，在60—80摄氏度下反应6—10小时。
[0012]而且，在步骤2中，惰性保护气体为氮气、氩气或者氦气。
[0013]而且，在步骤2中，热解温度为800—850摄氏度，热解时间为3—6小时。
[0014]依据本专利技术方法制备的硅-碳复合材料在制备锂离子电池负极材料中的应用。
[0015]与现有的制备硅/碳复合材料方法相比，本专利技术所采用的同步聚合原位包覆方法条件温和，步骤简单，不需要复杂昂贵的设备，有利于大规模推广。且制备的硅/碳复合材料充放电循环200次后放电比容量大于500mAh
·
g-1
，甚至大于1000mAh
·
g-1
，相比于简单混合制备的硅/碳复合材料(充放电循环200次后放电比容量为500mAh
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g-1
)的电化学性能有显著提高。
附图说明
[0016]图1是本专利技术实施例1中硅-碳复合材料的扫描电镜照片。
[0017]图2是本专利技术实施例2中硅-碳复合材料的扫描电镜照片。
[0018]图3是本专利技术实施例3中硅-碳复合材料的扫描电镜照片。
[0019]图4是本专利技术实施例1中硅-碳复合材料的透射电镜照片。
[0020]图5是本专利技术实施例2中硅-碳复合材料的透射电镜照片。
[0021]图6是本专利技术实施例3中硅-碳复合材料的透射电镜照片。
[0022]图7是本专利技术实施例3中硅-碳复合材料的X射线衍射图。
[0023]图8是本专利技术实施例3中硅-碳复合材料的XPS谱线图。
[0024]图9是本专利技术实施例3中硅-碳复合材料的热重曲线图。
[0025]图10是本专利技术实施例3中硅-碳复合材料的循环寿命和库伦效率曲线测试图。
具体实施方式
[0026]下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案。使用的纳米硅粉粒径在50—80nm。
[0027]实施例1
[0028](1)将0.02g纳米硅粉通过超声分散在120mL无水乙醇中，超声2小时后，得到分散均匀的硅纳米颗粒的无水乙醇溶液。
[0029](2)将抗化学酸配成0.1M的水溶液6mL，搅拌至完全溶解，加入上述步骤(1)得到的溶液，60℃水浴搅拌混合均匀。
[0030](3)400μL的3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到120ml无水乙醇和6mL水的混合液中，即步骤(1)和步骤(2)的混合溶液，60℃水浴搅拌，反应8小时，反应结束后离心、水洗、干燥样品。
[0031](4)将烘干的样品放入氩气气氛保护的管式炉中800℃煅烧3h，得到最终产品。
[0032]实施例2
[0033](1)将0.1g纳米硅粉通过超声分散在120mL无水乙醇中，超声2小时后，得到分散均匀的硅纳米颗粒的无水乙醇溶液。
[0034](2)将抗化学酸配成0.1M的水溶液6mL，搅拌至完全溶解，加入上述步骤(1)得到的溶液，60℃水浴搅拌混合均匀。
[0035](3)400μL的3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到120ml无水乙醇和6mL水的混合液中，即步骤(1)和步骤(2)的混合溶液，70℃水浴搅拌，反应8小时，反应结束后离心、水洗、干燥样品。
[0036](4)将烘干的样品放入氩气气氛保护的管式炉中800℃煅烧4h，得到最终产品。
[0037]实施例3
[0038](1)将0.15g纳米硅粉通过超声分散在120mL无水乙醇中，超声2小时后，得到分散均匀的硅纳米颗粒的无水乙醇溶液。
[0039](2)将抗化学酸配成0.1M的水溶液6mL，搅拌至完全溶解，加入上述步骤(1)得到的溶液，60℃水浴搅拌混合均匀。
[0040](3)400μL的3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到120ml无水乙醇和6mL水的混合液中，即步骤(1)和步骤(2)的混合溶液，60℃水浴搅拌，反应8小时，反应结束后离心、水洗、干燥样品。
[0041](4)将烘干的样品放入氩气气氛保护的管式炉中800℃煅烧3h，得到最终产品。
[0042]实施例4
[0043](1)将0.1g纳米硅粉通过超声分散在120mL无水乙醇中，超声2小时后，得到分散均匀的硅纳米颗粒的无水乙醇溶液。
[0044](2)将抗化学酸配成0.1M的水本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用有机硅烷制备硅-碳复合材料的方法，其特征在于，按照下述步骤进行：步骤1，将硅烷和抗坏血酸以摩尔比3：(1—10)的比例均匀分散后，加入均匀分散有纳米硅颗粒的溶液中，在60—80摄氏度下反应5—15小时，以硅烷及抗化学酸的同步聚合原位包覆方法形成的硅氧化物及碳复合包覆层沉积在纳米硅颗粒表面，最终形成一层硅氧化物/碳膜包覆在纳米硅颗粒表面，且硅的含量在10wt％-60wt％之间；步骤2，将步骤1反应后的材料进行离心干燥处理后，置于惰性保护气体下进行热解，以得到二氧化硅/无定型碳的硅-碳复合材料；热解温度为800—900摄氏度，热解时间为3—8小时。2.根据权利要求1所述的一种利用有机硅烷制备硅-碳复合材料的方法，其特征在于，在步骤1中，硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：单忠强，戴晓谦，刘慧添，田建华，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：